CN103079676A - 用于减少工业排放的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种被适配成与用于去除二氧化碳的碳酸盐吸收/汽提工艺相整合的方法，该方法和系统包括以下步骤：将来自第一工业的一种碱源转化成一种非碳酸盐的碱；将该非碳酸盐的碱作为补给馈送至一个碳酸盐吸收系统之中，该系统用于从来自第二工业的排放物中汽提出二氧化碳；从该用于汽提二氧化碳的系统中回收一种输出物，并且在转化来自该第一工业的碱的过程中，利用来自该第二工业的能量。

Description

用于减少工业排放的方法和系统
技术领域
本发明涉及‘绿色技术’领域或更具体地减少工业排放。
在一个形式中，本发明涉及二氧化碳的捕获和纯化，包括出于减少来自一个工业源(如由化石燃料来提供动力的发电机和其他工业设备)的温室气体排放的目的。
在一个具体的方面中，本发明是适合于整合到一个二氧化碳去除工艺中的，借此进一步增强供应链，从而提供改进的生命周期的益处。
在下文中，将关于发电工业来合宜地描述本发明；然而，应当领会的是本发明不仅仅限于那种用途，并且在各种各样的工业中都具有实用性。
背景技术
贯穿本说明书的论述是由于发明人的认识和/或发明人对某些相关技术问题的确认而产生，并且此外，在本说明书中的文献、装置、行为、或知识的任何论述是被包括在内的来解释本发明的背景。这不应理解为认可以下内容：任何材料在此处的披露和权利要求书的优先权日之时或之前，形成了澳大利亚或其他地方的相关技术的现有技术基础或公共常识的一部分。
‘温室效应’和持续的大气污染是重大的生态问题。应负责的主要气体是水蒸气、二氧化碳、甲烷、氧化亚氮以及臭氧。这些气体对大气污染和温室效应的相对贡献取决于每种气体的特征和它的丰度。例如，甲烷具有使之比作为温室气体的二氧化碳明显更有力的特征，但二氧化碳基于它的量具有更大的贡献。自工业革命以来的工业发展和化石燃料的燃烧已经实质上增加了大气中二氧化碳的水平。
关于减少温室气体的排放已经讨论了不同的方案。许多经济学家认为对碳定价是一个必要的起点，即，对碳进行定价，以使得有着让人们停止排放温室气体的一种激励。
从工业源中大规模去除二氧化碳以便避免大气排放是一个持续的问题。酸性气体去除工艺是众所周知的并且被广泛地使用。然而，取得工业二氧化碳排放的显著减少是昂贵的，并且提高成本效益是一个持续的挑战。二氧化碳去除工艺影响着下游商品/服务的成本。因此，如果该工艺是相关工业可接受的，则必须对工艺成本与这种影响进行权衡。在碳受约束的世界中，所有的工业均受到二氧化碳排放成本的影响，不管它们选择何种工艺(如果存在的话)。或者通过改进的技术方案、更低的生命周期成本、亦或降低的供应链影响来压低二氧化碳去除成本的工艺或系统很可能是优选的。在该技术的早期开发这类工艺或系统的那些人可能同时能够利用这个机会来赢得早期利益。
例如，一些工业正在采用一种通过在深的地质构造中捕获、浓缩以及储存二氧化碳来避免二氧化碳排放至大气中的新型工艺。这个工艺被称为碳的捕获和储存(CCS)。CCS的捕获阶段将二氧化碳从各种化石燃料的燃烧源中去除，并且三个替代途径构成了大多数研究的基础：
·燃烧后(post combustion)(PCC)，从常规的化石燃料的燃烧源中获得低压气体并且去除纯的二氧化碳，
·预燃烧，在用于电力和/或进一步产品合成的完全燃烧之前，从高压源(如合成气)中去除二氧化碳，以及
·氧燃烧(oxyfuels)，其中空气被氧气替换以用于化石燃料的燃烧，由此简化了二氧化碳分离。
成本益处随着工业与工业而不同。例如，发电业将基于发电的成本和在相关电力市场的商业影响来评价CCS系统的用途。
在纯粹地商业评价(撇开早期的过渡发展阶段和可能有用的激励)时，CCS可能仅仅在当全部技术成本与二氧化碳价格相交之时的点上是可接受的(参见图5)。或者通过改进的技术方案、更低的生命周期成本、亦或降低的供应链影响来压低CCS成本和对产品产生的影响(如通过经调平的电成本(LCOE)所度量的电力成本)的工艺或系统很可能是优选的：并且这些工艺或系统有助于加速大规模CCS工业的建立。这将为这类技术的拥有者提供随之而来的赢得早期利益的机会。
一些CCS应用提供了副产物或服务的益处。这些益处包括使用二氧化碳用于提高石油回收(EOR)或由合成气生产液体燃料。后者已经被成功地用于通过CCS根据煤气化作用生产液体燃料。纳入收益流而不是仅仅依赖于碳的定价来判断投资，为早期采用CCS提供了动力。
氮化合物(主要是胺类和氨)已经是二氧化碳捕获工艺的一个研究重点。碱性碳酸盐工艺的使用已经不太积极地去追求了。除了通过增添烟道气脱硫和氮去除设备来限制溶剂的消耗和与溶剂的不利反应之外，甚至在鉴别杂质(如硫和氮)的归趋和优化这些杂质的下游使用方面示出较少兴趣。冷氨法的提议者提及硫酸铵作为肥料副产品来生产。最近，关于基于氮的降解产物(如亚硝胺类)的归趋的关注已经造就了对PCC中基于胺的溶剂方面研究的增加以及关于它们的归趋的担忧。
与减少碳捕获的总成本有关的大多数活动已经是指向或者考虑工艺其本身亦或以上描述的产品/服务的机会。对于已经装配有杂质处理单元(如烟道气脱硫(FGD)单元)的排放系统而言，历史上胺已经代表着最大能量和成本有效的目标。
因此，存在着对基于胺的捕获途径不成比例量的研究，这些捕获途径仅仅产生废弃产品。比较而言，对于碳捕获的其他工艺却没有得到注意。这些废弃流往往对碱溶剂的补给速率和供应链有着显著的影响。在胺的情况下，消耗速率(作为溶剂的比损耗(以每吨二氧化碳而言溶剂的千克数来度量的)与大量的用于捕获的二氧化碳的乘积来进行计算)将要求在全球的胺化学品生产方面显著增加的能力。这种对于导致了废弃产品处理的、增加原料供应的要求往往继续是由技术带来的输给和经济负担。
然而，新出现的碳酸盐选择项可以减少关于二氧化碳去除的能量处罚，并且还允许联合去除二氧化碳与其他杂质。例如，目前的一些工艺通过使气体穿过在一个吸收柱(有时称为涤气器)中循环的碳酸钾水溶液而从工业排放物中去除二氧化碳(参见图4)。这个工艺的基础是(1)二氧化碳在一个可逆反应中发生水合作用而形成碳酸，碳酸进而与碳酸根离子发生反应从而形成两个碳酸氢根离子(2)(虽然可以使用其他的离子，但在这种情况下是钾提供阳离子)
Figure BDA00002886115800041
方程式(1)
Figure BDA00002886115800042
方程式(2)
该工艺是通过在一个再生器(有时称为洗提器)中对负载有碳酸氢盐的溶剂流进行加工来使碳酸盐再生(一般通过应用加热)并且释放二氧化碳为一个纯化的流来完成。这个工艺允许溶剂在仅对系统损耗进行补给的封闭环路系统中继续再循环以用于二氧化碳的进一步去除。
像这样的碳酸盐吸收/汽提系统可以在不同模式(如PCC、预燃烧)中或事实上CO2有待被去除的任何应用中运行。
在大多数溶剂工艺中，特别是在具有易于受其他酸气体(如硫的氧化物)侵袭的胺的情况下，将该气体进行预处理以便将杂质去除到低水平，否则的话溶剂的损失会使该工艺是非赢利的。
然而，在碳酸钾的情况下，这些杂质与溶剂的反应可以产生潜在可使用的副产品。这些最终产品往往是硫酸钾和硝酸钾，它们可以被重新使用回到碱性钾所来自的肥料工业中。应当注意的是，钾产品的单一最重要的商业用途是用于肥料。农业部门正不断地寻找氮、磷以及钾的来源(商业上称为NPK)。这些气体杂质与钾的宽的反应(使用SO2和NO2作为实例)是：
2K2CO3+2SO2+O2→2K2SO4+2CO2
2K2CO3+4NO2+O2→4KNO3+2CO2
虽然这个实例指出了在氧化环境中的反应，但可以针对其他的捕获状况(如在合成气或预燃捕获应用中发现)来描述类似的反应。
此外，除了关于CCS结合了提高石油回收或来自合成气燃料的返回之外，实际上在CCS、特别是PCC中的所有商业性改进都集中在成本减少上，因为或者溶剂性能亦或与发电设备的配置以及热整合引起了变量的减少和/或设备成本的降低。
因此，存在对碳捕获的新颖增加和配置的需要，这些碳捕获的增加和配置进一步提高了低排放技术的生命周期影响和商业吸引力，并且特别是当以一种后燃烧模式运行时。
一种从二氧化碳去除中生产更高价值的产品的方法已经描述在了国际专利申请WO2006/034339和WO2009/039445中。这些专利申请传授了在一个‘单程(once-through)’基础上使用氢氧化钠涤气生产碳酸盐和碳酸氢盐产品。传授了对电解和涤气工艺进行显著修改来达成所述的生态有效地去除二氧化碳。这个工艺产生了一种碳酸盐/碳酸氢盐产品，该产品可以被认为是基于与二氧化碳永久性螯合的方法的副产品或矿物。这使该工艺与用于CCS的二氧化碳螯合的其他地质方法区别开。现有技术专利披露了将碳酸盐产品连同可以用来产生二氧化碳以用于地质储存的化学品一起输送到CCS地点。然而，这增加了CCS链的复杂性。
考虑到从发电站中排放的很大量的二氧化碳(和去除至少约90％的二氧化碳的潜在需要)，这个工艺的‘单程’性质会产生两个问题，即，电的内部使用和大量的碳酸盐和其他产品。
用来生产必要的氢氧化物以用于将二氧化碳完全转化为碳酸盐产品的常规电解工艺超过了从发电站中可获得的电力。例如，国际专利申请WO2006/034339的图9F指出了电解需要超过发电的12％。如果维持这种情形，二氧化碳去除工艺(仅用于那个目的)往往具有很少的用途，因为没有电力可供生产者出售。WO2006/034339传授了许多修改和整合，这些修改和整合对于在回收热量和电力并且在内部使用这些热量和电力以便减少电解器的总电力需要的工艺中使用是必要的。
此外，从这种工艺中产生的产品的数量可能由于这些副产品中的一种或全部在化学品市场中的泛滥而折损它的有用性。例如，国际申请WO2006/034339包括了基于单一1000MW发电站的例证。WO2006/034339的图9C指出：通过该实例产生的二氧化碳和氢氧化钠的组合总量(它们合起来接近碳酸氢钠的产生率)是每年超过1500万吨。这超过了美国在2003年的所有纯碱生产者的额定生产力。
类似地，在图9D中提及的氯生产量是每年接近6百万吨。这可能是世界上最大的氯设备尺寸的五至十倍。
因此，存在对用于大规模碳捕获和地质储存的工艺和系统的需要，这些工艺和系统将通过产生附加的可使用的产品来向最终用户提供改进的总成本吸引力。
发明内容
在此描述的实施例的一个目的是克服或减轻相关技术系统的以上所指出的缺点中的至少一个或至少提供相关技术系统的一种有用替代方案。
本发明的另一个目的是提供一种用于碳捕获的工艺和系统，该工艺和系统通过产生附加的可使用的产品来向最终用户提供改进的总成本吸引力。本发明的另一个目的是提供一种用于大规模碳捕获和地质储存的工艺和系统，该工艺和系统向最终用户提供了改进的总成本吸引力。
本发明的另一个目的是提供一种基于碳酸盐的工艺和系统，该工艺和系统通过产生附加的可使用的产品来向最终用户提供改进的总成本吸引力。
本发明的另一个目的是减轻与相关技术相关的至少一个缺点。
在一个第一方面中，本发明提供了一种被适配成整合了用于去除二氧化碳的碳酸盐吸收/汽提工艺的方法，该方法和系统包括以下步骤：
-将来自第一工业的一种碱源转化成一种非碳酸盐的碱；
-将该非碳酸盐的碱作为补给馈送至一个碳酸盐吸收系统之中，该系统用于从来自第二工业的排放物中汽提出二氧化碳；
-从该用于汽提二氧化碳的系统中回收一种输出物，并且
在转化来自该第一工业的碱的过程中，利用来自该第二工业的能量。
对本领域技术人员来说清楚的是除了该非碳酸盐的碱之外，Cl2、H2以及HCl也可以是该方法的产品。
该碱组分可以包含任何合宜的碱金属。优选地，该碱源是氯化钾，该非碳酸盐的碱是氢氧化钾，并且来自该系统的输出物是选自包括以下各项的组：硫酸钾、硝酸钾、以及其组合。作为一个替代方案，阳离子可以例如是钠而不是钾。
在一个第二方面中，本发明提供了一种被适配成整合用于二氧化碳去除的碳酸盐吸收/汽提工艺的方法，该方法和系统包括以下步骤：
-将来自肥料工业的氯化钾源转化成氢氧化钾、氯气、氢气以及氯化氢；
-回收该氯气、氢气以及氯化氢中的一种或多种的至少一些；
-将该氢氧化钾作为补给馈送至一个碳酸盐吸收系统之中，该系统用于从来自第二工业的排放物中汽提出二氧化碳；
-回收作为一种输出物的该补给料的钾组分，该输出物选自包括以下各项的组：硝酸钾、硫酸钾、以及其组合；
-在该氯化钾转化为氢氧化钾的过程中，利用来自该第二工业的能量；并且
-回收该硝酸钾和/或硫酸钾中的至少一些。
在本发明的一个特别优选的实施例中，在该第一工业与该第二工业之间存在一种协作的商业关系，其中排放由于该第二工业所产生的能量而降低，该第二工业伴随产生了附加的商业产品，这些产品中的一些可以被返回到该第一工业中。最佳地，可以包括一个第三工业例如来运行该转化工艺、使用这些附加产生的商业产品或该工艺的任何产品或将其推上市场。以此方式，可以在至少两个或至少三个工业之间存在合作。
典型地，来自该第二工业的能量是电能。在该第一工业、第二(发电)工业、以及潜在地第三工业之间的密切结合(或者在物理上亦或商业上)由于如分别由各个工业所考虑的原料性质、转化成本、捕获成本以及副产品的附加值的组合而是相关联的。
例如，典型地该第一工业是肥料工业(提供原料)，该第二工业是电力工业(发电)并且该第三工业是化学工业(化学加工)。
在二氧化碳去除工艺中使用碳酸钠和碳酸钾是有利的，这是由于它能够协作地捕获杂质如硫酸盐和硝酸盐产品，这些产品潜在地为第一工业提供附加值。此外，在来自第一工业(肥料)的原料的经常由第三工业(化学)进行的转化与第二工业(发电)之间的密切结合(在物理上或商业上)，是由于电对成本可变的转化步骤的贡献来生产用于碳酸盐吸收汽提的CO2捕获和去除工艺的补给氢氧化物。在发电厂房门口的电总是会以较低的价格提供给这样的能量用户。这就这些附加产品而论潜在地提供了成本益处，并且允许新的商业机会出现，这些机会将不仅改变这些附加产品的生产的经济状况，而且改进了碳捕获的经济状况。
如先前所描述，在过去，碳酸钾水溶液已经被使用在用于去除二氧化碳的系统中。代替使用所递送的碱性碳酸盐或碱性氢氧化物作为对涤气器的补给，本发明涉及使用从一种工业源中得到的其他一种或多种进料。因此，本发明以先前从未考虑过的一种方式来整合现有的碱供应线。这提供了超过现有技术的基于碳酸盐的涤气工艺的经济优势。对于从依赖于化石燃料的许多工业通过地质储存去除大规模二氧化碳而言这是所特别希望的。可以在一系列的应用(如PCC和预燃烧模式)中应用基于碳酸盐的CO2吸收/汽提去除工艺。
碱进料与本发明工艺的整合可以提供给用于去除二氧化碳的系统，这些系统另外地包括杂质去除装置。
优选地，该碱是一种碱金属或碱土金属。更优选地，该碱是钠或钾。当该碱是钾时，第一工业典型地是肥料工业，对于该肥料工业而言钾是一种关键商品。相反地，钾的主要用途是在肥料工业。该碱源和碱进料可以是呈适于和便于使用的任何形式，包括：固体、溶液、悬浮液或浆料的形式。
在一个第二方面中，本发明提供了一种被适配成与碳酸盐吸收汽提的二氧化碳去除工艺相关的碳捕获相整合的方法，该方法包括以下步骤：
·将来自第一工业的一种碱性卤化物源转化成碱性氢氧化物；
·将该碱性氢氧化物作为补给提供给一个碳酸盐吸收汽提系统，以用于将二氧化碳从来自第二工业的排放物中去除；
·从用于去除二氧化碳的系统中回收一种输出物，该输出物包含碱性硫酸盐和/或碱性硝酸盐，并且
·在转化来自该第一工业的碱性卤化物的过程中，利用来自该第二工业的能量来附加生产多种商业产品。
在一个第三方面中，本发明提供了一种用于与碳酸盐吸收汽提的二氧化碳去除工艺相关的碳捕获相整合的方法，该方法包括以下步骤：
·将来自肥料工业的一种碱性卤化物源转化成一种碱性氢氧化物和一种副产品；
·将该碱性氢氧化物作为补给提供给一个碳酸盐吸收汽提系统，该系统用于将二氧化碳从来自第二工业的排放物中去除；
·将该副产品作为一种进料提供给一个或多个工业过程；
·从包含碱性硫酸盐或碱性硝酸盐的该碳酸盐吸收汽提系统中回收一种输出物，并且
·在转化来自该第一工业的碱的过程中，利用来自该第二工业的能量来另外生产多种商业产品。
该副产品典型地包含选自下组的一个部分，该组包含卤化物和/或氢气。例如，该副产品可以选自包含以下各项的组：卤素气体(如Cl2)、氢气或卤化氢(如HCl)。具体来说，氢气作为用于各种工业过程的进料可以是有用的，包括作为用于燃烧、用于整合到燃料电池中或在发电设备中使用的燃料源。
出于许多原因，在大规模CCS中使用的一种碱性卤化物向一种碱性氢氧化物的转化与现有技术的知识是相反的。首先，现有技术的捕获系统的重点是集中在胺类上。在过去已经使用了碳酸盐系统的情况下，传统的重点是集中在被递送的呈碳酸盐或氢氧化物形式的原料的使用上。在碳酸盐系统已经提出用于大规模捕获系统的情况下，常规方法会类似地集中在被递送的原料上。此外，由于电解工艺的成本高，对CCS应用氢氧化物涤气事实上已经偏离了这个方法来传授。在如通过氢氧化物涤气和碳酸盐产生而创造生产副产品的机会的情况下，高电力使用和产品推上市场的困难进一步指出了潜在的问题。最终，钾碱工业(正如它的名称)推断重点集中在用于以上被递送的产品的基于碳酸盐的产品。
对一系列先前不相关的工业的特征、益处以及需要的认识产生了本发明，本发明提供了对在现有技术中先前没有考虑到的碳受约束的世界的供应链和商业模式的新见解。优选地，碱性卤化物是氯化钾一肥料工业的成本最低并且主要的产品，并且连同向氢氧化物的低成本转化(使用与发电站的密切结合)以便在一个碳酸盐吸收涤气的CO2捕获系统(和其他的产品)中和硫酸盐和/或硝酸盐产品(用于肥料工业)的生产中使用，一系列运行和商业模式以及益处就出现了。
本发明提供了在一个宽范围的工业之间相互作用的潜力。典型地，本发明的用途往往包括：肥料工业、电力工业(或事实上任何二氧化碳排放源)以及化学工业。这些工业还可以是本发明的任何或所有产品的中间消费者。例如，当将本发明的方法用在从来自燃烧化石燃料的发电设备的排放物中去除二氧化碳的一个工艺中时，某些副产品可以提供给在该发电设备的现场的其他用途。例如，如果碱进料是KCl，则H2副产品可以在发电设备中使用作为用于燃烧或用于它们的化学价值的燃料源。
因此，与使用碱性氢氧化物作为对二氧化碳去除工艺的补给相关的成本是通过以下各项来补偿的：使用来自肥料工业的一种低成本、高产量的产品(KCl)，用低成本电力将它转化，并且通过产生有价值的卤化物和氢气产品以及用于CCS工艺的碱性溶剂来增值。
本发明的方法的益处可以通过将该方法的主要要素共同定位来增加。例如，碱源的生产可以与二氧化碳去除工艺相整合，并且促进了一种特别有利的商业模式。例如，该商业模式可以包括多个关键的链节，这些链节包括：
·一个碱性卤化物生产者(如一个肥料制造商)，它将消耗该工艺的产品，如硫酸钾和硝酸钾产品，
·一个二氧化碳排放者(如电力公司)，它可以提供低排放能量、为碱转化工艺提供更低成本的电力并且消耗一些附加的产品(参见图5，示出了来自替代技术的相对LCOE性能)，以及
·化学工业，它可以将产品推上市场并出售，这些产品如氯气、氢气或氯化氢。
就这点而论，多个工业之间的物理和/或商业性链节以出于所有方的利益来产生协作和集中化的碱性氢氧化物生产是尚未认识到的。本发明可以进一步包括将运行责任在碱进料转化、捕获设备运行和发电设备运行以及在现场和不在现场的化学材料处理之间进行分配。本发明提供了一种用于优化任何/所有参与的工业的技能和贡献的宽范围商业模式的框架。
本发明的优点
实质上，本发明的实施例源自以下：
(i)以下认识：可以通过在源头处应用相对廉价的电力来将相对廉价的工业碱源送向不相关的工业中，从而提供了碳去除益处，这些益处包括有利的产品和副产品以及总体改善的碳捕获的商业吸引力，并且
(ii)对一系列先前不相关的工业的特征、益处以及需要的识别产生了本发明，本发明提供了对在现有技术中先前没有考虑到的碳受约束的世界的供应链和商业模式的新见解。
(本发明可以应用到上面的)现有技术的碳酸盐捕获工艺的优点包括下列各项：
·使用了一种非挥发性的活性成分，该活性成分；
ο避免了损失(或处理以便限制损失)并且
ο允许了更宽范围的加工条件，即，温度和压力；
·避免了潜在地降解产物，这些降解产物可以
ο产生了潜在有害的环境排出物，并且
ο增加了设备腐蚀。
·与不同工业的潜在整合，这些工业包括例如肥料工业；
·通过回收硫酸盐/硝酸盐的收益而有效减少净输入成本；并且
·能够在一个单一吸收步骤中去除二氧化碳和其他杂质。
本发明的具体优点包括下列各项：
·与其他的溶剂途径(现有技术的碳酸盐捕获工艺的一个著名的潜在优点，但该优点由本发明进一步增强)相比较，化学供应链的生命周期得到改善；
·成本效益，它可归因于
ο使用了针对捕获应用的需要而优化的进料工艺，
ο利用来自出售从更低成本原料(例如KCl)和更低电力成本产生的副产品(一些副产品可以在现场使用)的补偿而改进的成本基数，
ο当与捕获设备定位在同一地点时，碱源设备的资本支出机会更低，如氢氧化物的浓缩工艺的去除；
·提供了多种商业模式，这与化学收益、电成本等相比，可以允许不同的成本和利润共享；
·提供了多种运行模式，它们可以改变不同的最终用户希望接合的方式。这允许不同公司或者它们本身或与其他公司的合资公司来承担不同程度的运行风险，这些合资公司具有更好的技能基础和商业模式来支持任何提议的整合本质；
·可以按使用碳酸盐吸收/汽提的所有CCS捕获模式并且特别是按后燃烧模式来运行，该后燃模式在过去被视为严重依赖于对碳的定价而非提供附加的收益；
·使用标准技术提供方案(如电解和捕获技术)来实现附加益处。这些益处由新的供应链链节和商业模式而不是工艺本身产生；
·可以按多个产品规划运行，这些产品规划包括：
ο针对产品流而考虑的改变的产品排出和附加用途的潜力。例如，氢气可以简单地在发电设备中燃烧，燃料电池可能相关，并且在某些情况下可以将仅产生酸性和碱性流的不同电解器进行整合；
·可以根据所需要的杂质去除来改变比例。它可以或者与亦或不与现有的烟道气处理设施一同使用，并且在某种程度上该产品混合物会在运行过程中发生改变；
·当电力工业是参与者时，该方法可以针对峰值电力需求提供即时响应。如果碱源是一个基于电力的系统，那么可以削减负载来获取高电力价格的利益。此时，该工艺以较少的补充物来简单地运行，因此允许杂质水平积累以以便随后在无二氧化碳去除净损失的情况下去除。根据较高价格的量值和程度，碳酸盐系统的其他方面可以允许进一步的负载削减(load shedding)；
·为溶剂替换提供一个更流线型的且成本有效的供应链；
·提供一系列的潜在高价值的工业副产品。与其他源比较，它们的生产可能是更成本有效的。
·整个二氧化碳去除链的生命周期得到改善，并且使用了一种环境友好溶剂，如碳酸钾；
·对于碱的生产者来说，是开放新市场并且获得它们的产品的多种用途的机会；
·提供了一系列先前没有认为是CCS讨论的一部分的商业和运行模式，；
·在对碳定价之前或在其初期，作为附加收益流的结果，潜在地提供将CCS及早引入到电力部门中(参见图5，其中来自本发明的收益的增加允许较低的LCOE和更早与对碳的定价的交叉，这表明了该技术的更早期的吸引力)。
本发明具有跨越数个工业的潜在应用性，这些工业包括但不限于：肥料工业、电力工业以及化学工业。相应地，存在许多潜在适合的商业安排，这些商业安排可以与本发明的方法相关。尽管如此，这种密切合作的益处和商业可行性的关键决定因素将是：
·基本的碱成本；
·转化器的资本和运行成本；
·进行转化的工业的电力成本；
·捕获设备的资本和运行成本；
·所有副产品的出售价格；以及
·碳减少的激励/处罚。
以上描述的特征有望提供与本领域中的替代产品/工艺相异的差别和改进以及优于其的竞争性优点。供应链的整合和副产品的结合以及碳酸盐工艺的益处的利用提供了显著的益处。优选地，本申请的发明使用了数个工业部门的整合来产生一个更流线型的工业解决方案。具体来说，优选地本发明提供了一系列有吸引力的商业模式和商业成果以便适合无数的CCS应用。可以通过以下各项来这样做：产生捕获问题的整体考虑，认识达到大规模引入这种技术的商业必要性，并且因此提供一个更好的环境成果。
本发明的实施例的适用性的进一步的范围将从下文所给出的详细说明中变得很清楚。然而，应当理解的是，详细说明和具体实例虽然表明了本发明的优选实施例，但它们仅仅是通过展示的方式给出的，因为从这种详细说明中在此披露内容的精神和范围内的不同变化和修改对于本领域的那些技术人员而言将变得很清楚。
具体实施方式
参考以下结合附图对实施例的描述，相关领域的那些技术人员可以更好地理解本申请的优选和其他的实施例的其他披露内容、目的、优点以及方面，这些实施例仅仅是通过展示的方式给出的，并且因此在此不限制本披露内容，并且其中：
·图1展示了现有技术的一种碳酸盐吸收汽提的二氧化碳去除系统；
·图2展示了由氯化钾进料的一个氯-碱工艺与本发明的整合；
·图3展示了本发明与现有技术的整合，示出了一个第一工艺(用于转化碱性卤化物)、一个第二工艺(包含捕获设备)以及一个发电站；
·图4更详细地展示了图1的一个吸收汽提工艺；
·图5是经调平的电成本($/MWh)对碳价格($/t)的曲线图，以便展示关于不同的发电设备情况，碳价格对经调平的电成本(LCOE)的影响；
·图6展示了现有技术的某些工艺，这些工艺使用了一个单程的氢氧化物涤气系统来生产碳酸盐产品；并且
·图7展示了本发明的一个实施例，作为生产硫酸盐和/或硝酸盐产品的碳酸盐吸收汽提系统的。
图1、2以及3展示了相对于现有工艺而言本发明的多个实施例和它们的布局，以便产生一个不同的商业模式。
图1展示了现有技术的碳酸盐吸收汽提的二氧化碳去除系统。这些系统在一个CO2去除单元(2)中消耗了作为碳酸盐水溶液补给的碱性碳酸盐或氢氧化物(1)，以便对来自一种工业输出物的二氧化碳(3)进行涤气。图1示出所递送的K2CO3和/或KOH补给以及所得的硫酸钾副产品(4)。先前在此已经指出了相关的化学反应。
现有技术的碳酸钾水溶液工艺具有许多益处。三大主要的肯定之处(positive)是：(i)它具有低挥发性并且是耐氧的，(ii)它可以允许作为用于杂质以及二氧化碳的单一捕获装置而运行，以及(ii)已经这样做之后，钾可以返回到肥料链中而具有附加值。该工艺的含有硫和氮的副产品具有肥料价值。在过去，在使用其他溶剂的此类工艺过程中所损失或降解的任何材料(并且这些在过去的应用中由于维持低污染负荷的需要在传统上是低的)已经被相对高成本的源替换了。
图2展示了由氯化钾进料(5)进料的一个氯-碱工艺与现有技术工艺的整合。这种整合可以生产附加产品，并且以氢氧化钾取代呈碳酸钾形式的钾补给。这种密切结合产生了从工业排放物中去除二氧化碳的全新概念，借此在与发电设备的密切结合的配置中，将氯化钾(5)馈送至一个电解工艺(9)中，从而生产氢氧化钾(6)、氯气(7)以及氢气(8)。氢氧化钾(6)易用在CO2去除工艺(2)中，并且氯气和氢气副产品(使用来自发电设备的低成本电力产生)为总的CO2(3)去除工艺提供了有价值的补偿并以及发电设备的低排放。含有硫和氮的钾肥产品(4)仍然为该总工艺的附加益处。这些流动一起产生了一个供应链和一个商业模式，这将产生增加的商业机会并且因此可能加速CCS的收容(uptake)。
碱性卤化物向碱性氢氧化物的转化是与现有技术相反的，现有技术传授的是一个高成本工艺。相比之下，本发明具有钾肥供应链的益处的优良整合，甚至是就碳酸钾工艺而言。本发明使用了最低成本和最多产的钾产品(氯化钾)。它产生了作为氢氧化物的补给钾(从而替换了作为钾副产品损失的所有物质)以及氯气和氢气的有附加值的副产品。后者可以在现场使用，例如在发电设备中。将该工艺与发电设备共同定位潜在地为氯-碱设备的最显著的可变成本提供了最低的可能电力价格。发电工业的益处为投资提供了另外的商业吸引力。
先前未考虑这些选项的原因之一是作为一个新兴的清洁技术工业，二氧化碳减少的问题仍然是相对新的。此外，在酸性气体工业中，出于成本和性能的原因，碳酸钾系统已经逐渐地被其他溶剂工艺代替。因此，碳酸钾系统已经不再受到很多的关注或不再是研究的目标。然而，一直在考虑碳酸盐系统的研究者们已经认识到：大规模捕获二氧化碳的条件和应用均是精细并且根本上不同于目前运行的那些酸性气体去除系统的。先前不存在以这些量、在氧化以及还原性环境中并且潜在地以这样高的补充需要(如上所述，杂质应在单一步骤中去掉)来去除二氧化碳的这种压力。考虑碳酸盐系统本质上是重新来回顾这个问题的一个实例，并且不依赖于通过目前技术来必然解决这个问题。本发明通过从根本上考虑这些供应链和关于应用多种技术(如氯-碱)的预想并且不基于常规知识而简单地屏除它们，来进一步加强这个概念。
图3展示了本发明使用现有技术的整合。第一工业(9)的工艺取得一种碱性卤化物(5)并且将它转化为用于二氧化碳去除的一种碱性氢氧化物源(6)。第二工艺(2)出于第二工业的利益而进行二氧化碳去除(3)，该第二工业是一个二氧化碳排放者，如常规的电力生产者。可以去掉副产品(7，8，4)并且出售它们用于财政获益。第一工艺的产品(6)被绑定到第二工艺(2)中，但两种产品(7和8)将主要出售到化学品市场中，并且该第二工艺的产品(4)将典型地经由一个肥料出口而被出售。第二工艺(2)的另一种输出物是一种烟道气流(10a)，该烟道气流实际上是由一个发电设备(11)排放的流(10)，二氧化碳已经被从该流去除并且该流在碳受约束的世界中将有望具有所归属的经济价值。这种工艺将或者由拥有者(典型地一个发电设备(11))亦或其他的二氧化碳排放者来运行，或根据所选择的商业模式转包给其他人。例如，发电设备(11)往往将燃烧燃料(13)来将电力(12)递送至客户，包括将电力(14)递送至第一工艺(9))，并且与第二工艺(2)交换能量流(15)以便驱动CO2去除工艺。
由于以下各项产生了该方法和系统：多个化学工业的经验的结合；对那些工业中的基本驱动因素的理解、肥料工业中的供应链和成本问题，以及技术的‘非常规’应用至CCS舞台的考虑可以实现的机会。
与其他捕获工艺相比较，有望通过运行本发明的包括整合的碳酸盐工艺供应链的工艺配置来提高关于从二氧化碳排放源(如发电站)提供低排放电力的财政情况。包括第一工艺(9)的单一杂质去除工艺的资本和运行成本预期是有利的，这是由于原料(5)的购买和来自产品(7，8以及4)的销售/供应的相称的回报，连同可用于第一工艺(9)的相对低成本电力(14)的益处。
出于许多原因，本发明先前未得到考虑，这些原因包括碳酸盐工艺陈旧并且不像更现代的工艺那样有利的一般看法。此外，其他工业也不曾被视为是协作的。例如，未认真考虑钾肥工业和它的许多钾产品。工业结构的进一步回顾示出了KCl不仅是基本的和大规模的产品，而且是最廉价的形式。钾的其他形式(如K2CO3和KOH)经受了其他处理，并且因此是更昂贵的。这些被处理的形式还有着专门的运输需要。
除了盐之外，电是氯-碱工艺中最高的可变成本，并且生产此类产品的最廉价的地方是与发电设备相关联。由于在碳酸钾系统的过去应用中的相对低的补充率，未深入地考虑过K2CO3或KOH的问题。先前还未认识到的是在发电设备中使用氢气，并且在过去一些设备在现场生产氢气。最后，与以上几点相组合，先前没有理解的是硫酸盐和硝酸盐副产品具有高于氯化钾的附加值，并且本发明的方法和工艺可以为这种形式的肥料链提供改变的商业模式。靠着所有的收益流的总定价组合看似提供了可观的机会。
图4更详细地展示了具有图1中示出的类型的一个吸收汽提工艺。与现有技术的许多相关工艺相对比，在图4中描绘的工艺包括再循环。
CO2去除单元从一个二氧化碳排放源(如来自发电站的烟道气)取得一个CO2气流(22)，并且将它穿过一个吸收器柱(20)，在该吸收器柱中该CO2气流与被设计成选择性地去除二氧化碳的碳酸钾(27)的再循环溶剂流相接触。高达90％的二氧化碳被从该气流中去除。将补给溶剂(21)添加至该系统，典型地在如所示的吸收器(20)处。将具有残留的CO2的烟道气(23)排到大气中。然后将富集有二氧化碳的溶剂(28)在一个单独的CO2再生柱(24)中进行处理，该再生柱典型地从发电设备中汲取能量以用于CO2去除步骤。CO2再生柱(24)(i)将二氧化碳作为纯净气流(26)而去除用于地质储存，并且(ii)使贫溶剂(29)再生以用于再循环返回到吸收器(20)中。通过内部加工步骤将硫酸钾和/或硝酸钾作为滑流(slip-stream)副产品(25)来去除。
图5是经调平的电成本($/MWh)对碳价格($/t)的曲线图。这个曲线图展示了对于不同的发电设备情况，碳价格对经调平的电成本(LCOE)的影响。不具有捕获设施的基本设备具有陡峭的LCOE曲线(30)，因为高CO2排放导致了添加到较低基本电力成本中的一些成本。基本的CCS情况具有不太陡峭的LCOE曲线(31)，因为在增加基础LCOE的成本下，大多数的CO2已经被去除。对应于本发明的曲线(32)由于增加的收益而具有一个较低的基础成本，并且LCOE价格差别(33)是清楚可见的。这个曲线图还展示了更早采用的潜力(更低的碳价格过渡)(34)。确切地讲，不同的曲线指出了：与没有捕获的设备的交叉点出现更早些，并且因此可以加速该技术的引入。
图6展示了具有在国际专利申请WO2006/034339中所披露的类型的现有技术的另一种工艺，该工艺使用了一种单程的氢氧化物涤气系统来生产碳酸盐产品。确切地讲，被馈送入一个电解器(40)的氯化钠进料(41)排放出氯气(42)和氢气(43)以及氢氧化钠(44)。将氢氧化钠(44)馈送至一个CO2去除单元中，在这个去除单元中它被用于对含有CO2的烟道气(47)进行单程涤气(45)。将含有残留CO2的烟道气(46)排入大气中。碳酸钠/碳酸氢钠是该涤气的副产品(48)。
图7展示了本发明作为生产硫酸盐和/或硝酸盐产品的一个碳酸盐吸收汽提系统应用的一个实施例。在这个实施例中，将来自一个钾供应链(61)(例如肥料)的氯化钾(50)送至一个电解器工艺(51)中，产生了氯气(52)、氢气(53)以及氢氧化钾(54)。将补给氢氧化钾(54)送至一个第二工艺中，该第二工艺是一个CO2去除单元，这个去除单元具有使用再循环的贫碳酸盐流(81)用于对CO2源(如来自一个工业过程的烟道气(57))进行涤气的一个吸收器(56)。将具有残留CO2的烟道气(55)排入大气中。然后富集有二氧化碳的溶剂(80)离开吸收器(56)，并且然后将该溶剂在一个单独的CO2再生器(58)中进行处理，该再生器典型地从发电设备中汲取能量用于CO2去除步骤。CO2再生柱(58)将二氧化碳作为纯净气流(59)去除，并且再生了进料用于使贫溶剂(82)再循环回到CO2吸收器(56)中。硫酸钾/硝酸钾副产品(60)从该再循环溶剂流中被去除，并且被馈送回到钾供应链(61)中。
如先前所提到的，具有在WO2006/034339中描述的类型的现有技术工艺和技术很有可能受到产品市场的限制。单程的氢氧化物涤气工艺可以被广泛使用的程度取决于具体的市场。然而，WO2006/034339传授了一个化学设备的用途，该化学设备是世界一流设施尺寸的许多倍，其中从单一1000MW发电设备中汲取能量。这将仅仅是例如一个国家(如澳大利亚)的整个电力市场的2％至3％。
比较之下，使用与补给系统相组合的再循环碳酸盐吸收汽提工艺(如在图7中所描绘)具有恰好与现有市场符合的潜力，这些补给系统是根据由硫酸盐和硝酸盐杂质而产生的补充速率来设定大小的。出于有利的使用起见，将一些钾产品转移至CCS去除工艺中(从而协作地去除二氧化碳、并且然后返回，其中增加了硫和/或氮价值)具有产生改进的生态成果的潜力。在下列实例中描述了这种整合可以提供这两种成果的程度。足够地说，本发明提供了全球相当大量的二氧化碳的捕获，并且因此可以在钾碱工业的现有生产能力内，通过CCS提供大量的低排放电力。
实例
参考展示了本发明一些优点的以下非限制性实例，现在将进一步对本发明进行说明。通过参考一种基本情况并且通过证实由于杂质去除继而产生的加工成本的差异来例证这些益处，在该基本情况中应用了一个碳酸盐碳捕获工艺来去除显著量的二氧化碳。因此，在以下计算中仅包括了差异。没有包括捕获设备和运行成本的细节，这些细节在这两种情况之间实际上是相同的。类似地，实例仅包括了原材料和产品的成本和价格，这些成本和价格代表了这两种情况之间的差异。应当指出的是，在实例中所列举的成本和价格指出了一个时间点上的市场状况。此外，这些成本和价格不能结合或反映对碳定价的影响，然而预测这些影响将不能改变在此阐明的结果或结论。
实例是基于一个大型的KCl氯-碱设备，该设备将会提供必要的钾以用于替换在经处理的烟道气流中由化学计算量的硫所消耗的钾。
在图1中展示了该基本情况，其中K2CO3作为所消耗的钾的一个代替品来提供并且产生了K2SO4副产品。应当指出的是，如果使用了KOH，类似的结果适用于该基本情况。在图2中展示了本发明，其中KCl被馈送至一个氯-碱设备中，从而产生氯气、氢气、以及KOH以便在还生产K2SO4的CCP设备中使用。
下列分析根据这些工艺内的化学品的购买和销售检测了净成本位置，并且结合了用于使KCl转化成KOH的资本支出(通过每年的资本费用)和运行成本。这两种情况之间的相对资金位置表示了本发明的益处。
表1：基础数据
产品 产品定价(AUO/t)
K2CO3 $1800
K2SO4 $600
KCl $300
Cl2 $850
H2 $500
表2：氯碱设备详情
参数 消耗/生产
所使用的KCl 227吨/天
所生产的KOH 173吨/天
所生产的Cl2 100吨/天
所生产的H2 33,100立方米/天
所使用的电力 350MWh/天
成本 价值
资本成本 AUD$110,000,000
资本费用因子 15％
电力成本 0.04AUD/千瓦时
固定成本 每年AUD$5,000,000
表3：比较消耗/生产
Figure BDA00002886115800211
基本情况下的财政情况
用澳元(AUD)为单位来引用所有的数字。
资金位置＝K2SO4的销售收益-K2CO3的成本＝(265×600-210×1800)×365＝每年{-$80}百万
本发明情况下的财政情况
资金位置＝收益(K2SO4+Cl2+H2)-KCl的成本-Gl2设备成本(资本支出+运行支出)
收益＝((265×600+100X850+3×500)-227×300)×365＝每年$64,800,000
氯设备成本＝110×0.15+(0.35×0.04×365+5)＝每年$26,600,000
资金位置＝$64.8-$26.6＝每年$38,200,000
资金位置差值＝$38.2-(-80)＝每年$118,200,000
当与基本情况比较时，这一分析说明了本发明的显著优点。可以通过对所发送出的电力应用有差别的资金益处来证明对电力生产者的直接益处。基于具有以下的一个假定的发电设备配置：
·烟道气中的220ppm SOx
·12t CO2/MWh的排放强度
·22％的寄生能量以用于被整合的捕获设备
·如上的氯-碱设备
等同大小的发电设备将是近似1250MW。考虑到由于该捕获设备而减少的电力，每年所发送出的电力将是近似8.5×108MWh。
LCOE的减少将是近似
＝$118.2×109/8.5×108MWh
＝$13.9/MWh
LCOE的这种减少通过在图5中所描绘的曲线来图解，并且示出本发明可以为CCS的早期应用提供激励的方式。财政益处是极其正面的，并且甚至当将单独组分(如电力成本、资本成本、产品定价等)的敏感性考虑在内时，仍被预期保持正面性。已经选择了这些关键参数的替代值来证明这点。表4示出所修正的参数和结果。
表4：替代性能-修正的定价和结果
产品 产品定价(AUD/t)
K2CO3 $874
K2SO4 $210
KCl $135
Cl2 $395
H2 $500
成本 价值
资本成本 AUD$150,000,000
电力成本 0.05AUD/kWh
固定成本 每年AUD$10,000,000
净利润(每年百万$) 减少的LCOE($/MWh)
32 4
比较了其他捕获溶剂工艺的杂质去除成本的类似分析证明了本发明的益处，因为这些工艺不能提供收益益处。
虽然本发明已经结合其具体的实施例来加以描述，但是将理解的是它能够进一步修改。本申请旨在涵盖本发明的任何变化、用途或改编，这些变化、用途或改编总体上遵循本发明的原理并且包括与本披露内容的这类偏离，这些偏离如出自本发明所涉及的领域内的已知或惯用实践和如可以被应用到前文所阐述的基本特征。
由于本发明可以按照数种形式来实施，而不偏离本发明的基本特征的精神，因此应当理解的是，除非另外说明，否则上述实施例不限制本发明，而是应当被广泛地解释成处于如所附权利要求中所定义的本发明的精神和范围内。在所有的方面中，所描述的实施例都被认为仅仅是说明性的，并不是限制性的。
不同的修改和等同的安排旨在包括在本发明和所附权利要求的精神和范围内。因此，具体的实施例被理解为说明可以实践本发明的原理的许多方式。在以下权利要求中，装置-加-功能条款旨在涵盖进行所定义的功能的结构，并且不仅涵盖结构等效物，而且还涵盖等效的结构。
还应当指出的是，在此使用了一个流程图来演示本发明的不同方面，则该流程图不应当被解释为将本发明限制于任何具体的逻辑流程或逻辑实现方式。
当在本说明书中使用“包含(comprises)/包含了(comprising)”和“包括(includes)/包括了(including)”时，它们用来说明所陈述的特征、整体、步骤或组分的存在，但不排除一种或多种其他的特征、整体、步骤、组分或其组的存在或添加。因此，除非上下文另外清楚地要求，否则贯穿整个说明书和权利要求书，措辞‘包含’、‘包含了’、‘包括’、‘包括了’等应被理解为一种包括性的意义，这与排除性或详尽性意义是相反的，即，是“包括但不限于”的意义。

Claims (13)

1.一种被适配成与用于去除二氧化碳的碳酸盐吸收/汽提工艺相整合的方法，该方法和系统包括以下步骤：
-将来自第一工业的一种碱源转化成一种非碳酸盐的碱；
-将该非碳酸盐的碱作为补给馈送至一个碳酸盐吸收系统之中，该系统用于从来自第二工业的排放物中汽提出二氧化碳；
-从该用于汽提二氧化碳的系统中回收一种输出物，并且
-在转化来自该第一工业的碱的过程中，利用来自该第二工业的能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该碱源是氯化钾，并且该非碳酸盐的碱是氢氧化钾。
3.根据权利要求1所述的方法，其中输出物是选自包括以下各项的组：硫酸钾、硝酸钾、氯气、氢气和氯化氢以及其组合。
4.一种被适配成与用于汽提二氧化碳的碳酸盐吸收工艺相整合的方法，该方法包括以下步骤：
-将来自第一工业的氯化钾源转化为氢氧化钾、氯气、氢气以及氯化氢；
-回收该氯气、氢气以及氯化氢中的一种或多种的至少一些；
-将该氢氧化钾作为补给馈送至一个碳酸盐吸收系统之中，该系统用于从来自第二工业的排放物中汽提出二氧化碳；
-回收作为一种输出物的该补给料的钾组分，该输出物选自包括以下各项的组：硝酸钾、硫酸钾以及其组合；
-在该氯化钾转化为氢氧化钾的过程中，利用来自该第二工业的能量；并且
-回收该硝酸钾和/或硫酸钾中的至少一些。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所回收的氯气、氢气、氯化氢、硫酸钾或硝酸钾中的至少一部分是用于一个工业过程的进料。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所回收的氯气、氢气、氯化氢、硫酸钾或硝酸钾中的至少一部分包含一种商业产品或被包含在其中。
7.根据权利要求4所述的方法，其中该氯化钾源自第一工业，并且所回收的硫酸钾或硝酸钾中的至少一部分被该第一工业消耗。
8.根据权利要求4所述的方法，其中该第一工业是肥料工业，该第二工业是电力工业。
9.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中该第二工业的所在地是毗连于转化来自该第一工业的碱源的所在地。
10.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中在该第一工业与至少该第二工业之间存在一种协作的商业关系。
11.根据权利要求1并且实质上如在此参见对应于图3的展示和说明而描述的方法。
12.根据权利要求1并且实质上如在此参见对应于图7的展示和说明而描述的方法。
13.一种根据以上权利要求中任一项所述的方法的产品。
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