CN103429315A - 净化含二氧化碳的气体的方法和二氧化碳纯化系统 - Google Patents

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Abstract

用于净化在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气的气体纯化系统(40)包括：用于压缩所述富二氧化碳烟气的压缩机(40’)、用于冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的第一气体冷却器(64)、布置在所述第一气体冷却器(64)下游用于除去所述冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分汞内含物的汞吸附器(66)、布置在所述汞吸附器(66)下游用于进一步冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的第二气体冷却器(68)和用于除去所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分水内含物的气体干燥器(70)。

Description

净化含二氧化碳的气体的方法和二氧化碳纯化系统
发明领域
本发明涉及净化在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳气体的方法。
本发明还涉及用于净化在包括用于在含有氧气的气体存在下燃烧燃料的锅炉的锅炉系统中产生的富二氧化碳气体的气体纯化系统。
发明背景
在诸如发电站的燃烧成套设备中诸如煤、石油、泥煤、废物等燃料的燃烧产生热工艺气体，该工艺气体含有二氧化碳CO2以及其他组分。随着环境要求的提高，已经开发了用于从该工艺气体中除去二氧化碳的各种方法。一种这样的方法是所谓的氧-燃料方法。在氧-燃料方法中，燃料如上述燃料之一在贫氮气体存在下燃烧。将由氧源提供的氧气供给到锅炉，在其中该氧气使燃料氧化。在氧-燃料燃烧过程中，产生富二氧化碳烟气，可将其处置掉以降低二氧化碳向大气的排放。
在处置掉之前，必须净化该二氧化碳气体。WO 2010/021053公开了气体净化系统，其中对在锅炉中产生的热工艺气体进行氮氧化物、粉尘和二氧化硫的去除。随后对作为富二氧化碳气体的热工艺气体进行除汞步骤以在处置之前净化该富二氧化碳气体。
发明概述
本发明的一个目的在于提供净化在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气的方法，所述方法比现有技术方法更有效。
该目的借助于净化在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气的方法实现，所述方法包括：
压缩所述富二氧化碳烟气，
将所述压缩的富二氧化碳烟气冷却到第一温度，
将所述冷却的压缩富二氧化碳烟气送过汞吸附器以除去所述冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分汞内含物，
将所述压缩的富二氧化碳烟气进一步冷却到第二温度，所述第二温度低于所述第一温度，和
将所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气送过干燥器以除去所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分水内含物。
该方法的一个优势在于在相应操作的有效温度下可实现汞吸附和水蒸气去除两者。另外，在这两项操作之间不需要将气体加热，因此降低了功率消耗。
根据一个实施方案，将所述压缩的富二氧化碳烟气冷却到第一温度的步骤包括冷却到比相对于所述压缩的富二氧化碳烟气的水蒸气来讲的露点温度高的第一温度。该实施方案的一个优势在于避免了水蒸气在汞吸附器中的冷凝。所述冷凝可对汞吸附器的效率和寿命及在其中使用的活性材料不利。
根据一个实施方案，将所述气体冷却到第一温度的步骤包括将所述气体冷却到比相对于所述压缩的富二氧化碳烟气的水蒸气来讲的露点温度高5-30℃的第一温度。冷却到比所述露点温度高不到5℃的温度不太吸引人，因为水蒸气冷凝的危险增加。冷却到比所述露点温度高多于30℃的温度也不太吸引人，因为汞吸附效率降低。
根据一个实施方案，将所述压缩的富二氧化碳烟气进一步冷却到低于所述第一温度的第二温度的步骤包括冷却到比相对于所述压缩的富二氧化碳烟气的水蒸气来讲的露点温度低的第二温度。该实施方案的一个优势在于发生水蒸气的一些冷凝，这增加了下游干燥器的效率。
根据一个实施方案，进一步冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的步骤包括冷却到比所述压缩的富二氧化碳烟气的二氧化碳水合物形成温度高0-40℃的第二温度。冷却到比所述二氧化碳水合物形成温度低的温度不太吸引人，因为固态二氧化碳的形成可能对在其中进行进一步冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的步骤的冷却器的操作不利。冷却到比所述二氧化碳水合物形成温度高多于40℃的温度也不太吸引人，因为在气体干燥器中的水蒸气吸附效率变得较低，导致需要不必要的大且昂贵的干燥器。
根据一个实施方案，压缩所述富二氧化碳烟气的步骤包括借助于所述气体的压缩将压缩的富二氧化碳烟气加热到高于所述第一温度的温度。该实施方案的一个优势在于利用压缩热来获得起始温度，所述气体可由此而冷却到第一温度和第二温度。因此，在正常操作期间不需要额外加热。
根据一个实施方案，所述富二氧化碳烟气的压缩包括借助于所述气体的压缩将所述压缩的富二氧化碳烟气加热到60-270℃的温度。该实施方案的一个优势在于由于通过压缩机有效工作来压缩所述富二氧化碳烟气的压缩，常可获得60-270℃的温度。在压缩之后低于60℃的温度常意味着所述压缩产生压力相当低的压缩气体。因此，将需要更多的压缩级段。在压缩之后大于270℃的温度常意味着所述压缩不太能量有效，导致过度热量损失。
本发明的另一目的在于提供用于净化在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气的纯化系统，所述净化系统比现有技术系统更有效。
该目的借助于用于净化在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气的气体纯化系统实现，所述气体纯化系统包括：
用于压缩所述富二氧化碳烟气的压缩机，
在所述富二氧化碳烟气的流动方向上看来布置在所述压缩机下游用于冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的第一气体冷却器，
布置在所述第一气体冷却器下游用于除去所述冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分汞内含物的汞吸附器，
布置在所述汞吸附器下游用于进一步冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的第二气体冷却器，和
布置在所述第二气体冷却器下游用于除去所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分水内含物的气体干燥器。
该纯化系统的一个优势在于，在投资和操作成本方面非常有效。不必包括独立的加热器，且热力需求有限。
根据一个实施方案，所述纯化系统还包括控制系统，所述控制系统包括在所述第一气体冷却器下游测量冷却的压缩富二氧化碳烟气的温度的传感器，所述控制系统还包括鉴于所测量的温度控制所述第一气体冷却器的控制装置。该实施方案的一个优势在于其使得非常准确地控制所述汞吸附器的操作温度变得可能。
根据一个实施方案，所述纯化系统包括布置在所述第二气体冷却器与所述气体干燥器之间用于自所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气收集液态水的水阱。该实施方案的一个优势在于可降低在所述气体干燥器上的水负担。因此，可使所述气体干燥器最小化，而在离开所述气体干燥器的富二氧化碳烟气中仍然提供相同的残留水含量。
根据一个实施方案，所述气体纯化系统包括在启动所述气体纯化系统之前用于将加热的气体送过所述汞吸附器的加热系统。该实施方案的一个优势在于减少在启动期间在所述汞吸附器内水蒸气冷凝的危险。
本发明的其他目的和特征将由本说明书和权利要求书显而易见。
附图简述
现将参考附图更加详细地描述本发明，其中：
图1为锅炉系统的示意性侧视图；
图2为气体压缩和纯化单元的示意性侧视图；
图3为中间冷却和汞吸附单元的示意性侧视图；
图4为低温二氧化碳分离过程的示意性侧视图。
优选实施方案的描述
图1为自其侧面所见的锅炉系统1的略图。锅炉系统1包括作为主要部件的锅炉2，在该实施方案中为氧-燃料锅炉；蒸汽涡轮机发电系统，示意性表示为4；和气体净化系统6。气体净化系统6包括微粒去除装置，其例如可为织物过滤器或静电沉淀器8；和二氧化硫去除系统，其可为湿式洗涤器10。
诸如煤、石油或泥煤的燃料装在燃料储罐12中且可经由供给管路14供给到锅炉2。氧气源16能操作成以本身已知的方式提供氧气。氧气源16可为能操作成从空气中分离氧气的空气分离成套设备、氧气分离膜、储槽或用于提供氧气到锅炉系统1的任何其他来源。供给管道18能操作成将通常包含90-99.9体积%氧气O2的所生成的氧气送到锅炉2。管道20能操作成将含有二氧化碳的再循环烟气送到锅炉2。如图1中所表示，供给管道18连接锅炉2上游的管道20，使得氧气和含有二氧化碳的再循环烟气在锅炉2的上游可以变得彼此混合以形成通常含有约20-50体积%的氧气、余量主要为二氧化碳和水蒸气的气体混合物。因为几乎没有空气进入锅炉2，所以几乎没有氮气供给到锅炉2中。在实践操作中，小于3体积%的供给到锅炉2的气体为空气，其主要随着空气经例如锅炉2和气体净化系统6的渗漏进入锅炉系统1。锅炉2能操作成在与经管道20供给的含有二氧化碳的再循环烟气混合的氧气存在下燃烧经供给管路14供给的燃料。蒸汽管路22能操作成将锅炉2中由于燃烧生成的蒸汽送到蒸汽涡轮机发电系统4，蒸汽涡轮机发电系统4能操作成产生以电力形式的动力。
管道24能操作成将锅炉2中产生的富二氧化碳烟气送到除尘装置8。“富二氧化碳烟气”是指经管道24离开锅炉2的烟气将含有至少40体积%的二氧化碳CO2。常常大于50体积%的离开锅炉2的烟气将为二氧化碳。通常，离开锅炉2的烟气将含有50-80体积%的二氧化碳。“富二氧化烟气”的余量将为约15-40体积%的水蒸气(H2O)；2-7体积%的氧气(O2)，因为在锅炉2中常常优选氧气稍微过量；和总共约0-10体积%的其他气体，主要包括氮气(N2)和氩气(Ar)，因为难以完全避免空气的某些渗漏。
在锅炉2中产生的富二氧化碳烟气通常可包含以例如尘粒、氢氯酸HCl、硫氧化物SOX和包括汞Hg的重金属形式的污染物，在处置所述二氧化碳之前应该将这些污染物从所述富二氧化碳烟气中至少部分地除去。
除尘装置8自所述富二氧化碳烟气中除去大部分尘粒。管道26能操作成将来自织物过滤器8的富二氧化碳烟气送到气体净化系统6的湿式洗涤器10。湿式洗涤器10包括循环泵28，其能操作成使例如包含石灰石的吸附液在浆料循环管路30中自湿式洗涤器10的底部循环到布置在湿式洗涤器10的上部中的一组喷嘴。浆料喷嘴32能操作成精细地分配湿式洗涤器10中的吸附液以实现在所述吸附液与经管道26送到湿式洗涤器10并在湿式洗涤器10内基本垂直向上流动的烟气之间的良好接触，从而自所述富二氧化碳烟气中有效地除去二氧化硫SO2和其他酸性气体。
至少部分净化的富二氧化碳烟气经将烟气送到气体分流点36的管道34离开湿式洗涤器10，在该气体分流点36处所述至少部分净化的富二氧化碳烟气被分成两个物流，即，第一物流，其经管道20再循环回到锅炉2；和第二物流，其经管道38送到锅炉系统1的以气体压缩和纯化单元(GPU) 40形式的气体纯化系统。在GPU 40中，将净化的富二氧化碳烟气进一步净化并压缩以便处置。压缩的二氧化碳因此经管道41离开GPU 40且输走以便处置，其有时被称为“CO2封存”。经管道20再循环回到锅炉2的第一物流通常占离开湿式洗涤器10的所述部分净化的富二氧化碳烟气的总流量的50-75体积%。通常占离开湿式洗涤器10的所述部分净化的富二氧化碳烟气的总流量的25-50体积%的第二物流因此经管道38送到将在下文更详细地描述的GPU 40。
图2更详细地图示GPU 40。应了解图2的示意图为示意性的，且GPU可包括用于气体纯化等的其他装置。
GPU 40包括具有至少一个且通常2-10个用于压缩净化的富二氧化碳烟气的压缩级段的至少一个压缩机。各压缩级段可作为独立的单元布置。作为供选且如图2中图示，多个压缩级段可通过共用的驱动器操作。图2的GPU 40包括具有第一压缩级段42、第二压缩级段44和第三压缩级段46的压缩机40’。第一至第三压缩级段42、44、46一起形成GPU 40的低压压缩单元48。压缩级段42、44、46连接到由压缩机40’的马达52驱动的共用驱动轴50。
GPU 40包括至少一个气体纯化系统中间冷却和汞吸附单元54，其布置在压缩级段42、44、46之一的下游。在图2的实施方案中，中间冷却和汞吸附单元54布置在第三压缩级段46的下游，即低压压缩单元48的下游。应了解中间冷却和汞吸附单元54也可布置在第一压缩级段42的下游或第二压缩级段44的下游。还有可能的是，在GPU中布置不止一个中间冷却和汞吸附单元54，例如一个中间冷却和汞吸附单元布置在第二压缩级段44的下游并且一个中间冷却和汞吸附单元54布置在第三压缩级段46的下游。更进一步地讲，还有可能的是，将具有中间冷却和汞吸附单元54的中间冷却功能但没有其汞吸附功能的中间冷却单元56布置在在其下游没有布置中间冷却和汞吸附单元54的那些压缩级段中的一些或全部的下游。因此，中间冷却单元56可布置在图2的GPU 40的第一压缩级段42和第二压缩级段44的下游。一个这样的任选的中间冷却单元56图示在第一压缩级段42的下游。
净化的富二氧化碳烟气经管道38进入GPU 40且引入第一压缩级段42中。管道58将压缩气体从第一压缩级段42任选经中间冷却单元56送到第二压缩级段44。管道60将压缩气体从第二压缩级段44任选经未示出的中间冷却单元送到第三压缩级段46。管道62将压缩气体从第三压缩级段46送到中间冷却和汞吸附单元54。
中间冷却和汞吸附单元54的主要部分(part)为第一气体冷却器64、汞吸附器66、第二气体冷却器68和气体干燥器70。汞吸附器66能操作成除去压缩气体的至少一部分汞内含物。气体干燥器70用以除去压缩气体的至少一部分水蒸气内含物。中间冷却和汞吸附单元54的部分将在下文参考图3更详细地描述。
管道72将已自其中除去汞内含物和水蒸气内含物的至少一部分的压缩气体从中间冷却和汞吸附单元54送到GPU 40的任选的其他单元。GPU 40的所述任选的其他单元的实例包括不可凝气体去除单元，例如CO2液化单元73，其中使所述气体在常称为冷箱(cold-box)的换热器中冷却以促使二氧化碳液化，使得二氧化碳可与在与二氧化碳相同的温度下不液化的诸如氮气的气体分离。另外，GPU 40可包括相对于二氧化碳的传输方向来看布置在CO2液化单元73下游且包括用于将二氧化碳压缩到合适压力以便封存的一个或多个压缩级段的高压压缩单元74。在高压压缩单元74中压缩所述气体之后，可能处于超临界态或液态的压缩的二氧化碳经管道41送到CO2封存场所76。
图3更详细地描述中间冷却和汞吸附单元54。在第三压缩级段46中压缩的富二氧化碳烟气经流体连接的管道62进入中间冷却和汞吸附单元54。压缩的富二氧化碳烟气在第三压缩级段46的正下游处可具有为10-60绝对压力的压力且通常可具有为60-270℃的温度，这是中间冷却和汞吸附单元54将进行其操作的气体起始温度。在一个实例中，离开第三压缩级段46的压缩的富二氧化碳烟气可具有120℃的起始温度和35巴绝对压力的压力。
压缩的富二氧化碳烟气经流体连接的管道62进入第一气体冷却器64。冷却介质线路78连接到第一气体冷却器64以便于诸如冷却空气、冷却水、冷却油或另外的合适冷却剂的冷却介质在第一气体冷却器64中循环。作为进一步的供选例，第一气体冷却器64可为空气冷却型冷却器。冷却的压缩富二氧化碳烟气经流体连接的管道80离开第一气体冷却器64。温度传感器82布置在管道80中以测量冷却的压缩富二氧化碳烟气的温度。阻尼器或阀门84布置在冷却液线路78中以便控制冷却介质向第一气体冷却器64的流动。温度传感器82控制阀门84以供给合适量的冷却介质。通常，温度传感器82控制冷却介质向第一气体冷却器64的流动以获得具有比相对于压缩富二氧化碳烟气的水来讲的露点温度高5-30℃的第一温度的冷却的压缩富二氧化碳烟气。所述露点温度为水蒸气在其下开始冷凝成液态水的气体混合物温度。液态水将对下游汞吸附器66的功能不利，且因此优选将冷却的压缩富二氧化碳烟气冷却到比所述露点温度高的第一温度。该温度越低，汞吸附器66倾向于越有效地操作，且因此优选冷却到比相对于冷却的压缩富二氧化碳烟气的水来讲的露点温度高至多30℃的第一温度。在一个实例中，离开第一气体冷却器64的冷却的压缩富二氧化碳烟气具有60℃的第一温度，该温度比相对于所讨论的冷却的压缩富二氧化碳烟气的水来讲的露点温度50℃高10℃。
所述冷却的压缩富二氧化碳烟气经流体连接的管道80送到汞吸附器66。汞吸附器66提供有包含对汞具有亲和性的汞吸附剂的填料86。所述吸附剂例如可为用硫浸渍的活性碳或已知本身对汞具有亲和性的另外的材料。因此，随着所述冷却的压缩富二氧化碳烟气穿过填料86，所述气体的至少一部分汞内含物将吸附在填料86的汞吸附剂上。
将已自其中除去其汞内含物的至少一部分的冷却的压缩富二氧化碳烟气经流体连接的管道88送到第二气体冷却器68。在汞吸附器66和第二气体冷却器68之间通常不布置压缩机或其他气体加热装置。冷却液线路90连接到第二气体冷却器68以便于诸如二醇-水混合物、氨-水混合物、有机制冷剂或另外的合适冷却剂的冷却介质在第二气体冷却器68中循环。冷却液线路90的冷却剂具有比所述冷却的压缩富二氧化碳烟气低的温度。因此，所述冷却的压缩富二氧化碳烟气的进一步冷却在第二气体冷却器68中完成。所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气经流体连接的管道92离开第二气体冷却器68。温度传感器94布置在管道92中以测量所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气的温度。阀门96布置在冷却液线路90中以便控制冷却剂向第二气体冷却器68的流动。温度传感器94控制阀门96以供给合适量的冷却剂。温度传感器94通常控制冷却剂向第二气体冷却器68的流动以得到具有第二温度的进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气，所述第二温度低于上述第一温度且比所述压缩的富二氧化碳烟气的二氧化碳水合物形成温度高0-40℃。所述二氧化碳水合物形成温度为二氧化碳和水的固态水合物在其下开始形成的包含二氧化碳和水蒸气的气体混合物的温度，参见，例如Tamman, G. & Krige, G. J. (1925): “Equilibrium pressures of gas hydrates.” Zeit. Anorg. und Algem. Chem., 146，第179-195页。固态二氧化碳水合物的形成将对第二气体冷却器68的功能不利，且因此优选将所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气冷却到比所述二氧化碳水合物形成温度高的第二温度。更优选将所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气冷却到比所述二氧化碳水合物形成温度高但比相对于所述富二氧化碳烟气的水来讲的露点温度低的第二温度。通过促使一些水蒸气冷凝且优选在如下文描述的气-液分离器中除去由此形成的液体，减小必须通过气体干燥器70除去的残留水蒸气负担。该温度越低，进一步减小必须通过气体干燥器70除去的残留水蒸气荷载，使得干燥器设备越小。因此，优选冷却到比所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气的二氧化碳水合物形成温度高至多40℃的第二温度。在一个实例中，所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气具有15℃的第二温度，该温度比所讨论的冷却的压缩富二氧化碳烟气的二氧化碳水合物形成温度6℃高9℃。
所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气经流体连接的管道92送到任选的气-液分离器98。气-液分离器98使随着通过所述气体在第二气体冷却器68中的进一步冷却造成的冷凝的进行而产生的水滴与剩余的气体分离。所述水滴收集在气-液分离器98的下部100。液位计102测量在气-液分离器98中的液体的量。布置在气-液分离器98的下部100中的排放管路104提供有阀门106。液位计102控制阀门106，且当气-液分离器98中的液体液位太高时命令阀门106打开。当阀门106打开时，液体从气-液分离器98经排放管路104排放到水处理成套设备108。
所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气经流体连接的管道110自气-液分离器98进一步送到气体干燥器70。气体干燥器70提供有填料112，填料112包含对水蒸气具有亲和性的也称作干燥剂的水蒸气吸附剂。所述干燥剂例如可为硅胶、硫酸钙、氯化钙、蒙脱土、分子筛或本身已知作为干燥剂使用的另外的材料。因此，随着所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气穿过填料112，所述气体的至少一部分水蒸气内含物将吸附在填料112的干燥剂上。
将已自其中除去其水蒸气内含物的至少一部分的进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气经流体连接的管道114送到任选的过滤器116。过滤器116提供有过滤芯子118，过滤芯子118可具有织物袋、金属过滤网、陶瓷管和本身已知用于自气体有效去除固态粒子的其他装置的形式。所述粒子例如可来源于汞吸附器66的填料86的吸附材料或来源于气体干燥器70的填料112的干燥剂。微粒物质可造成压缩级段磨损或CO2液化单元堵塞，且因此可能合适的是在将气体经流体连接的管道72送到CO2液化单元73和在图2中图示的高压压缩单元74之前借助于过滤器116自所述气体中除去任何微粒物质。
在一个实例中，经管道72离开中间冷却和汞吸附单元54的进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气具有15℃的温度和略低于30巴绝对压力的绝对压力，因为随着气体穿过单元54，轻微的压力下降是正常的。所述气体还具有降低的汞和水蒸气含量。这种气体适合在CO2液化单元73和高压压缩单元74中进一步处理且适合如在图2中所图示经管道41最后送到二氧化碳封存76处。例如，CO2液化单元73的换热器(还称作冷箱)常常可由铝制成。铝可能以不希望有的方式与汞反应。通过在CO2液化单元73上游的吸附器66中从富二氧化碳烟气除去汞，避免了这样的问题或至少使这样的问题减至最少。另外，在一些情况下，还需要从所述二氧化碳中除去汞以满足CO2封存76所需要的规格。
回到图3，中间冷却和汞吸附单元54提供有用于使气体干燥器70的水蒸气吸附能力间歇再生的再生和加热系统120。再生和加热系统120还用于在启动时预热汞吸附器66。布置供给管道122以将再生气体供给到系统120。所述再生气体优选为不与填料86和112反应的惰性气体。合适气体的实例包括氮气、例如来自管道41的纯净的二氧化碳或优选包含少量的汞和水蒸气的另外的惰性气体。优选将自CO2液化单元73中的二氧化碳分离的通常包含氮气作为其主要成分之一的惰性废气用作再生气体。再生系统120包括适宜加热所述再生气体的加热器124。加热线路126连接到加热器124以便于诸如蒸汽的加热介质在加热器124中循环。加热的再生气体经流体连接的管道128离开加热器124。温度传感器130布置在管道128中以测量所述加热的再生气体的温度。阀门132布置在加热线路126中以控制加热介质向加热器124的流动。温度传感器130控制阀门132以供给合适量的加热介质。为了在启动时预热汞吸附器66的填料86的材料，加热器124可通常将再生气体加热到约40-80℃的温度。为了使气体干燥器70的填料112的材料再生，加热器124通常可将再生气体加热到约120-300℃的温度。
汞吸附器隔离阀门134、136分别布置在管道88、80上。在预热程序期间，阀门134、136关闭以隔离汞吸附器66，且加热的再生气体自再生和加热系统120经流体连接到管道128的管道138供给到汞吸附器66。所述再生气体加热填料86的材料。所述汞牢牢结合到填料86的材料上，这意味着在其预热期间没有或几乎没有汞自填料86释放。用过的再生气体经管道140离开汞吸附器66。不含或含有极低浓度的汞的用过的再生气体可释放到大气中。
当填料86已根据其吸附能力吸附了汞时，关上阀门134、136且将用过的填料86替换为新鲜的填料86。
气体干燥器隔离阀142、144分别布置在管道114、110上。在再生程序期间，阀门142、144关闭以隔离气体干燥器70，且加热的再生气体自再生和加热系统120经流体连接到管道128的管道146供给到气体干燥器70。所述再生气体加热填料112的材料且造成水蒸气脱附。含有脱附的水蒸气的用过的再生气体经管道148离开气体干燥器70。因为汞吸附器66安装在气体干燥器70上游，所以没有汞或仅很少量的汞吸附在气体干燥器70的填料112的材料中。因此，在气体干燥器70的再生期间，没有或几乎没有汞脱附。来自气体干燥器70的用过的再生气体相对于汞来讲非常纯净且因此可释放到大气中。
应了解，当阀门134、136关上时，富二氧化碳气体无法穿过汞吸附器66。根据一个实施方案，GPU 40可提供有两个平行的汞吸附器66，其中这些平行吸附器66中的一个处于操作中，而另一平行吸附器进行填料86的替换。根据另一实施方案，在填料86的替换期间，所述富二氧化碳烟气可排到大气中。
还应该了解，当阀门142、144关上时，富二氧化碳气体无法穿过气体干燥器70。根据一个实施方案，GPU 40可提供有两个平行的气体干燥器70，其中这些平行气体干燥器70中的一个处于操作中，而另一平行气体干燥器70进行再生。根据另一实施方案，在气体干燥器70的填料112的再生期间，所述富二氧化碳烟气可排到大气中。
在图1中图示的锅炉系统1启动时，锅炉系统1的大部分部件(包括中间冷却和汞吸附单元54的大部分部件)是冷的，这意味着根据周围温度它们通常具有约0-25℃的温度。这样的低温造成在启动阶段期间在汞吸附器66内的气体的温度变得比相对于水来讲的露点温度低的危险，这会导致在填料86内不想要的液态水冷凝。为了避免这样的水冷凝，如上文所述，利用再生和加热系统120来在GPU 40的启动起始之前预热汞吸附器66。该预热可通过利用再生和加热系统120将具有例如40-80℃的温度的诸如加热的氮气、加热的净化二氧化碳气体或加热的废气如含有诸如氮气和氧气的不可凝气体的废气的加热的气体经管道128和138送到汞吸附器66以实现填料86的预热，从而避免在启动阶段期间在填料86中水滴的任何形成。
图4图示根据一个供选的实施方案以二氧化碳分离单元240形式的气体纯化系统。二氧化碳分离单元240的许多特征类似于气体压缩和纯化单元40的特征，并且图4的那些类似特征给出与图1相同的参考数字。二氧化碳分离单元240与图1中图示的气体压缩和纯化单元40的不同之处在于二氧化碳借助于低温方法与诸如空气和氮气的其他气体分离。在低温方法中，将富二氧化碳烟气压缩并冷却到使二氧化碳液化的这种低温。因此可实现与在比二氧化碳低的温度下沸腾且有时称为“不可凝气体”的其他气体的分离。不可凝气体的实例包括氮气、氧气和氩气。用于二氧化碳分离和回收的低温方法的实例公开在US 2008/0173584和US 2010/0215566中。
回到图4，二氧化碳分离单元240包括作为其主要单元的气体压缩机240’，气体压缩机240’用压缩级段246、中间冷却和汞吸附单元254和低温分离单元243图示。气体压缩机240’可与上文参考图2描述的压缩机40’相当类似，且由马达52驱动。压缩气体经管道262送到中间冷却和汞吸附单元254的第一气体冷却器64。第一气体冷却器64以如上文参考图3所描述类似的方式将所述气体冷却到第一温度，此后将冷却的压缩气体经管道80送到汞吸附器66。在汞吸附器66中，汞以如上文参考图3所描述类似的方式自所述气体脱附。随后将所述冷却的压缩气体经管道88送到第二气体冷却器68。第二气体冷却器68以与上文参考图3所描述类似的方式将所述气体进一步冷却到第二温度。随后将所述进一步冷却的压缩气体经管道92送到气体干燥器70。在气体干燥器70中，水蒸气以如上文参考图3所描述类似的方式自所述气体脱附。任选中间冷却和汞吸附单元254还可包括气-液分离器和/或过滤器和/或图3中所公开类型的再生系统。
所述气体经管道272离开气体干燥器70并进入低温分离单元243。在低温分离单元243中，二氧化碳与不可凝气体分离。因此，通常包含液化二氧化碳的富二氧化碳物流经管道241离开低温分离单元243且可输走以便二氧化碳封存。不可凝气体的物流经管道245离开低温分离单元243且可释放到大气中。
低温分离单元243通常可包括所谓的冷箱247。冷箱247可为多程换热器，其可由铝制成，在其中可实现低温分离单元243的各种物流的加热和冷却。根据一种选择，冷却液线路290连接到第二气体冷却器68以便实现所述气体冷却到所述第二温度。如图4中所表示，冷却液线路290可连接到冷箱247，以在冷却在冷却液线路290中循环的冷却剂时利用冷箱247的冷却能力。
可作为冷箱247的结构的一部分的铝可能以不想要的方式与汞反应。通过自在低温分离单元243的冷箱247上游的吸附器66中的富二氧化碳烟气除去汞，避免了这样的问题或至少使这样的问题减至最少。另外，在一些情况下，还需要从所述二氧化碳中除去汞以满足二氧化碳封存所需要的规格。
应了解在附加权利要求书的范围内可能有上述实施方案的许多变体。
在上文中，已经描述了包括压缩机40’、240’，第一气体冷却器64，汞吸附器66，第二气体冷却器68和气体干燥器70的气体纯化系统如何可如图2-3中所示集成为GPU 40的一部分，或如何可如图4中所示与低温分离单元243组合。应了解该类型的气体纯化系统及其操作方法也可集成在其他类型的方法中，其中需要从富二氧化碳烟气中除去汞和水蒸气。另外，上述类型的气体纯化系统也可集成在GPU 40的其他部分中或以除上文描述的那些方式之外的其他方式与低温分离单元243组合。
总之，用于净化在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳气体的气体纯化系统40包括：
用于压缩所述富二氧化碳烟气的压缩机40’，
用于冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的第一气体冷却器64，
布置在所述第一气体冷却器64下游用于除去所述冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分汞内含物的汞吸附器66，
布置在所述汞吸附器66下游用于进一步冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的第二气体冷却器68，和
用于除去所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分水内含物的气体干燥器70。
虽然已经参考许多优选的实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解的是可在不偏离本发明的范围的情况下进行多种改变且可用等效物替代其要素。另外，可在不脱离本发明的必要范围的情况下进行许多修改以适应本发明的教导的特定情形或材料。因此，并非想要将本发明限制于公开为预期用于实施本发明的最佳模式的特定实施方案，而是本发明将包括属于附加权利要求书范围内的所有实施方案。此外，使用术语第一、第二等并不表示任何顺序或重要性，而是术语第一、第二等用以区分一个要素与另一要素。

Claims (11)

1.净化在锅炉(2)中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气的方法，所述方法包括：
压缩所述富二氧化碳烟气，
将所述压缩的富二氧化碳烟气冷却到第一温度，
将所述冷却的压缩富二氧化碳烟气送过汞吸附器(66)以除去所述冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分汞内含物，
将所述压缩的富二氧化碳烟气进一步冷却到第二温度，所述第二温度低于所述第一温度，和
将所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气送过干燥器(70)以除去所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分水内含物。
2.权利要求1的方法，其中将所述压缩的富二氧化碳烟气冷却到第一温度的步骤包括冷却到比相对于所述压缩的富二氧化碳烟气的水蒸气来讲的露点温度高的第一温度。
3.权利要求2的方法，其还包括冷却到比相对于所述压缩的富二氧化碳烟气的水蒸气来讲的露点温度高5-30℃的第一温度。
4.前述权利要求中任一项的方法，其中将所述压缩的富二氧化碳烟气进一步冷却到低于所述第一温度的第二温度的步骤包括冷却到比相对于所述压缩的富二氧化碳烟气的水蒸气来讲的露点温度低的第二温度。
5.权利要求4的方法，其还包括冷却到比所述压缩的富二氧化碳烟气的二氧化碳水合物形成温度高0-40℃的第二温度。
6.前述权利要求中任一项的方法，其中压缩所述富二氧化碳烟气的步骤包括借助于所述气体的压缩将所述压缩的富二氧化碳烟气加热到比所述第一温度高的温度。
7.权利要求6的方法，其还包括借助于所述气体的压缩将所述压缩的富二氧化碳烟气加热到60-270℃的温度。
8.用于净化在锅炉(2)中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气的气体纯化系统，所述气体纯化系统的特征在于，其包括：
用于压缩所述富二氧化碳烟气的压缩机(40’；240’)，
在所述富二氧化碳烟气的流动方向上看来布置在所述压缩机(40’；240’)下游用于冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的第一气体冷却器(64)，
布置在所述第一气体冷却器(64)下游用于除去所述冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分汞内含物的汞吸附器(66)，
布置在所述汞吸附器(66)下游用于进一步冷却所述压缩的富二氧化碳烟气的第二气体冷却器(68)，和
布置在所述第二气体冷却器(68)下游用于除去所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气的至少一部分水内含物的气体干燥器(70)。
9.权利要求8的气体纯化系统，其还包括控制系统(82、84)，所述控制系统(82、84)包括在所述第一气体冷却器(64)下游测量所述冷却的压缩富二氧化碳烟气的温度的传感器(82)，所述控制系统还包括鉴于所测量的温度控制所述第一气体冷却器(64)的控制装置(84)。
10.权利要求8-9中任一项的气体纯化系统，其还包括布置在所述第二气体冷却器(68)与所述气体干燥器(70)之间用于自所述进一步冷却的压缩富二氧化碳烟气收集液态水的水阱(98)。
11.权利要求8-10中任一项的气体纯化系统，其还包括在启动所述气体纯化系统之前用于将加热的气体送过所述汞吸附器(66)的加热系统(120)。
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