CN103626177A - 用于处理温室气体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是用于处理温室气体的系统和方法。用于处理温室气体的系统包括收集子系统，其配置用于收集包含二氧化碳和甲烷的气体混合物；燃烧子系统，其配置用于燃烧气体混合物中的甲烷并且输出气体燃烧流出物，其中燃烧子系统产生电能、水和额外量的二氧化碳；以及分离子系统，其配置用于将二氧化碳从气体燃烧流出物中分离。

Description

用于处理温室气体的系统和方法
技术领域
本申请涉及处理温室气体，并且更具体而言，涉及处理从温室气体生产地点比如填埋场(landfill)回收的甲烷和二氧化碳。
发明背景
温室气体，比如甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)和臭氧(O3)，吸收电磁谱的红外线范围内的辐射。在大气中，温室气体吸收来自地表的红外辐射并且将一些吸收的红外辐射再辐射(发射)返回地表，从而造成地表处的升温。这种由于大气中温室气体造成的不期望的升温一般被称作温室效应。
温室气体来源于各种源，包括填埋场。在填埋场中，厌氧细菌分解有机物并且产生填埋气体(landfill gas)，其主要由甲烷和二氧化碳组成。虽然填满场通常被土壤或其它结构遮盖(覆盖)以包含填埋场的内含物，填埋气体可扩散经过填埋场盖并且进入大气。
因此，许多填埋场采用甲烷捕捉系统以便在填埋气体外逸到大气之前将其收集。收集的填埋气体随后通常外倾(flare)到大气或者在能量生成系统中燃烧。遗憾地，甲烷的燃烧产生二氧化碳——另一种温室气体。
因此，本领域技术人员继续温室气体处理领域的研究和开发工作。
发明内容
根据本公开内容的方面提供的用于处理温室气体的系统可包括收集子系统，其配置用于收集包含二氧化碳和甲烷的气体混合物；燃烧子系统，其配置用于燃烧气体混合物中的甲烷并且输出气体燃烧流出物，其中燃烧子系统产生电能、水和额外量的二氧化碳；以及分离子系统，其配置用于将二氧化碳从气体燃烧流出物中分离。分离子系统可包含吸附材料，比如沸石。
有利地，所述方法可进一步包括填埋场，其中所述气体混合物是填埋气体。
根据本公开内容的一个方面提供的用于处理填埋气体的系统可包括收集子系统，其配置用于收集填埋气体，所述填埋气体包含二氧化碳和甲烷；燃烧子系统，其配置用于燃烧填埋气体中的甲烷并且输出气体燃烧流出物，其中燃烧子系统产生电能、水和额外量的二氧化碳；以及分离子系统，其配置用于将二氧化碳和水从气体燃烧流出物中分离。分离子系统可包含吸附材料，比如沸石。
有利地，气体混合物包括按重量计大约45%至大约55%的所述二氧化碳和按重量计大约55%至大约45%的所述甲烷。
有利地，燃烧子系统包括内燃机和涡轮中的至少一个。
有利地，分离子系统将所述水从所述气体燃烧流出物中分离。
有利地，分离子系统包括吸附材料。
优选地，吸附材料包括沸石。
优选地，分离子系统包括换热器，并且其中所述换热器在所述气体燃烧流出物接触所述吸附材料之前将所述气体燃烧流出物的温度降低。
优选地，分离子系统包括干燥剂，并且其中所述气体燃烧流出物在接触所述吸附材料之前接触所述干燥剂。
有利地，所述方法进一步包括配置用于将环境空气引入所述气体燃烧流出物的空气增流器(air mover)。
有利地，所述方法进一步包括分离器，其配置用于将所述二氧化碳从所述气体混合物中分离，然后所述气体混合物通到所述燃烧子系统。
根据本公开内容的另一个方面提供了用于处理温室气体的方法。所述方法可包括以下步骤：(1)收集包含二氧化碳和甲烷的气体混合物，(2)燃烧甲烷以便产生电能并且输出气体燃烧流出物，并且(3)将二氧化碳从气体燃烧流出物中分离。分离步骤可使用吸附材料比如沸石进行。
有利地，气体混合物是填埋气体。
优选地，气体混合物包括按重量计大约45%至大约55%的所述二氧化碳和按重量计大约55%至大约45%的所述甲烷。
有利地，燃烧步骤包括使所述甲烷通过内燃机。
有利地，燃烧步骤包括使所述气体混合物通过内燃机。
有利地，分离步骤包括将所述二氧化碳吸附到吸附材料上。
优选地，吸附材料包括沸石。
有利地，所述方法进一步包括在所述分离步骤之前将所述气体燃烧流出物冷却的步骤。
有利地，所述方法进一步包括将水从所述气体燃烧流出物中分离的步骤。
有利地，所述方法进一步包括将环境空气与所述气体燃烧流出物混合的步骤，其中所述混合步骤在所述分离步骤之前进行。
有利地，所述方法进一步包括在所述燃烧步骤之前将所述二氧化碳从所述气体混合物中分离的步骤。
根据本公开内容的进一步方面提供了用于处理填埋气体的方法。所述方法可包括以下步骤：(1)收集包含二氧化碳和甲烷的填埋气体，(2)燃烧甲烷以便产生电能并且输出气体燃烧流出物，并且(3)使用吸附材料比如沸石将二氧化碳从气体燃烧流出物中分离。
公开的用于处理温室气体的系统和方法的其它方面或实施方式通过下面的详述、附图和所述权利要求书将变得显而易见。
附图简述
图1是公开的用于处理温室气体的系统的一个实施方式的示意性工艺流程图；
图2是图1的系统的分离子系统的示意性框图；和
图3是描绘公开的用于处理温室气体的方法的实施方式的流程图。
具体实施方式
参考图1，公开的用于处理温室气体的系统的一个实施方式——通常指定为10——可包括工艺气体(process gas)收集子系统12、燃烧子系统14和分离子系统16。在不偏离本公开内容范围的情况下，公开的系统10可包括额外的子系统，比如任选的分离器18。
工艺气体收集子系统12可收集并且对系统10供应工艺气体20。工艺气体20可是以任何包含甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的气体混合物。除甲烷和二氧化碳之外，工艺气体20可包含其它组分，比如水蒸气、氮气和/或硫化氢。工艺气体20中甲烷和二氧化碳的浓度可根据工艺气体20的源变化。
在一个具体的执行方式中，工艺气体收集子系统12可收集来自填埋场22的填埋气体，并且可将填埋气体供应到系统10作为工艺气体20。因此，工艺气体收集子系统12可包含，例如，埋入填埋场22中用于接收填埋气体的一系列管以及用于将填埋气体通过埋入的管从填埋场22抽送到地表的鼓风机。
不限于任何具体的理论，由于填埋气体独特的组成，所以在公开的系统10中使用填埋气体作为工艺气体20可呈现显著的经济机会。特别地，填埋气体主要由甲烷和二氧化碳组成，并且甲烷与二氧化碳的比例大约为50:50(例如，所述比例可在大约45:55至55:45的范围)。因此，填埋气体包含显著的能量生成组分(甲烷)和显著的可用/可出售组分(二氧化碳)，同时如本文公开的能量生成组分(甲烷)的燃烧产生额外量的可用/可出售组分(二氧化碳)。
工艺气体收集子系统12可将工艺气体20供应到燃烧子系统14。例如，流体管线24(其可通过阀26控制)可选择性地将工艺气体收集子系统12与燃烧子系统14流体连接，使得收集的工艺气体20可直接流动到燃烧子系统14。
可选地，分离器18可插入工艺气体收集子系统12和燃烧子系统14之间。分离器18可通过流体管线28(其可通过阀30控制)接收工艺气体20，并且可以将二氧化碳与甲烷(至少部分地)分离。分离的二氧化碳可通过流体管线34传送至二氧化碳收集器32(例如，储存容器、管道、下游使用或销售等)。分离的甲烷37可通过流体管线36传送至燃烧子系统14。
任选的分离器18可采用任何可用的技术以便将工艺气体20中的二氧化碳与甲烷分离。
作为一个实例，分离器18可采用涡流以便实现二氧化碳与甲烷的分离。例如，分离器18可包含静态涡流分离器，并且工艺气体20可被泵入涡流分离器中使得产生涡流路径，从而由于二氧化碳和甲烷分子量的差异而使二氧化碳与甲烷分离。
作为另一个实例，分离器18可采用液化以便实现二氧化碳与甲烷的分离。例如，分离器18可包括压力容器和泵，其中所述泵以足以将工艺气体20分离为液体部分和气体部分的压力将工艺气体20泵送到压力容器中。可主要由二氧化碳组成的液体部分可随后容易地与气体部分分离。
作为又另一个实例，分离器18可采用物理吸着以便实现二氧化碳与甲烷的分离。例如，分离器18可包括吸附材料，比如沸石。可将工艺气体20与吸附材料接触，使得工艺气体20中的二氧化碳吸附到吸附材料上，将甲烷留在工艺气体20中。吸附的二氧化碳可随后通过加热或真空而从吸附材料释放，从而将吸附材料再生。在下面更详细的描述物理吸着。
就该点而言，本领域技术人员将明白通过操作条件(例如，工艺气体组成)和整个系统经济可促成使用任选的分离器18的决定。在一些情况中，使用任选的分离器18可能是更有效率的，而在其它情况中，在没有分离的情况下将工艺气体20通到燃烧子系统14(即，允许工艺气体20的二氧化碳组分通过燃烧子系统14)可能是更有效率的。
燃烧子系统14可接收工艺气体20(或者分离的甲烷37)，可将工艺气体20与环境空气40(其可通过流体管线42供应)混合以便将氧气引入工艺气体20(如果必要的话)，并且可燃烧工艺气体20。燃烧过程可生成电能44并且可输出气体燃烧流出物46。
本领域技术人员将明白与工艺气体20混合的环境空气40的量可取决于工艺气体20的组成。由于填埋气体包含显著量的二氧化碳(例如，大约50%)，可能需要显著量的环境空气40以利于燃烧。可采用各种空气增流单元(air moving unit)(例如，风扇)以确保对燃烧子系统14供应足够量的环境空气40以维持有效率的燃烧。
通过燃烧子系统14生成的电能44可用于对系统10的各种组件——比如分离子系统16、任选的分离器18和/或风扇60(下面讨论的)——提供动力。可选地(或额外地)，通过燃烧子系统14生成的电能44可销售到电网48。因此，通过燃烧子系统14生成的电能44可以是公开的系统10的一些收入来源中的一个。
燃烧子系统14可包含任何合适的燃烧装置或系统。作为一个实例，燃烧子系统14可包括间歇式燃烧的内燃机，比如改进的柴油机。作为另一个实例，燃烧子系统14可包括连续式内燃机，比如涡轮(例如，微型涡轮)。虽然涡轮可能比间歇式燃烧的内燃机在产生电能44方面更有效率，但低效的燃烧子系统14，比如间歇式燃烧的内燃机(例如，改进为靠甲烷运行的柴油机)，可生成更多二氧化碳，并且因此可以提高整个系统经济。
燃烧子系统14可将工艺气体20中的甲烷(或者分离的甲烷37)转化成二氧化碳和水，如下面：
CH4+2O2→CO2+2H2O   (等式1)
因此，气体燃烧流出物46可包括二氧化碳和水，以及已经通过燃烧子系统14的环境空气40的组分(例如，氮气，氧气)以及其它燃烧副产品(例如，一氧化碳，氮氧化物)。作为一个实例，当工艺气体20是直接输送至燃烧子系统14的填埋气体时，气体燃烧流出物46可包括按重量计大约20%的二氧化碳。作为另一个实例，当通过流体管线36将分离的甲烷37输送到燃烧子系统14时，气体燃烧流出物46可包括按重量计大约12%的二氧化碳。
气体燃烧流出物46可基本上没有甲烷，其可在燃烧子系统14内基本上完全燃烧。
气体燃烧流出物46可被供应至分离子系统16。分离子系统16可将二氧化碳和水从气体燃烧流出物46中分离，并且可通过流体管线50将分离的二氧化碳传送至二氧化碳收集器32并且可通过流体管线54将分离的水传送至水收集器52(例如，储存容器、管道、下游使用或销售等)。离开分离子系统16的气体燃烧流出物46的余量(例如，氮气，氧气)可作为废气56通过流体管线58释放。
因此，收集的二氧化碳32和水52可以是公开的系统10的两个额外的收入来源。因此，通过公开的系统10产生的电能、二氧化碳和水可抵消公开的系统10的运行成本，并且可潜在地使得公开的系统10成为积极的收益来源。
分离子系统16可采用各种技术以便将水和二氧化碳从气体燃烧流出物46分离。分离子系统16所用的分离技术的类型可由各种因素规定，包括工艺条件(例如，收集的二氧化碳32和水52的期望纯度)和工艺经济(例如，分离子系统16的总能耗)。虽然下面描述物理吸着工艺，但在不偏离本公开内容范围的情况下，可使用其它技术，比如化学吸附、涡流分离和液化。
参考图2，在一个具体的构造中，分离子系统16可包括吸附室70。任选地，分离子系统16可额外地包括脱附室72、换热器74和/或干燥室76。也考虑使用其它组件。
吸附室70可接收气体燃烧流出物46，并且可通过流体管线58输出基本上无二氧化碳的气体作为废气56(图1)。吸附室70可包含吸附材料，其通过物理吸附过程(物理吸着)从气体燃烧流出物46中吸附二氧化碳。
各种吸附材料可适合用在吸附室70中以便从气体燃烧流出物46吸附二氧化碳。作为一个一般性实例，吸附材料可以是分子筛材料，比如具有10埃有效开孔尺寸的分子筛材料。作为一个具体实例，吸附材料可以是沸石材料，比如具有10埃有效开孔尺寸的沸石13X分子筛材料。作为另一个具体实例，吸附材料可以是5A沸石。作为又另一个具体实例，吸附材料可以是3A沸石。
当足量的二氧化碳已经吸附到吸附室70内的吸附材料时，吸附的二氧化碳可通过流体管线50释放到二氧化碳收集器32，从而将吸附材料再生。例如，当废气56中二氧化碳的浓度超过预定的阈值(例如，按重量计2%、按重量计3%或按重量计5%)时，吸附的二氧化碳可释放到二氧化碳收集器32以便将吸附材料再生。
各种技术可用于将吸附的二氧化碳从吸附室70中的吸附材料释放。作为一个实例，真空脱附室72(其可同为吸附室70或者与吸附室70分开)可用于将二氧化碳从吸附材料脱附。在真空脱附室72(或吸附室70)中可抽取真空。因此，当吸附材料准备用于再生时，吸附室70可被密封，并且可在脱附室72(或吸附室70)中抽取真空，从而将二氧化碳从吸附材料中抽出。可在脱附室72(或吸附室70)下游放置指形冷冻器，使得脱附的二氧化碳在指形冷冻器上冷凝。作为指形冷冻器的一个备选方案，压缩可用于分离脱附的二氧化碳。
作为另一个实例，比如通过微波能、红外能等的加热，可用于将吸附的二氧化碳从吸附室70中的吸附材料释放。
换热器74可在气体燃烧流出物46进入吸附室70之前将气体燃烧流出物46冷却。冷却工艺可将气体燃烧流出物46中的水冷凝，其可随后通过流体管线54被传送至水收集器52(图1)。
当分离子系统16采用物理吸附时，将气体燃烧流出物46冷却可以是特别有利的。具体而言，将气体燃烧流出物46冷却到吸附室70中的吸附材料的某个温度(例如，10度或5度)内以增强物理吸附可以是有利的。例如，当吸附材料在环境条件(25℃)下时，气体燃烧流出物46可冷却到至多35℃(例如，30℃)。
作为换热器74的备选方案(或者除了换热器74之外)，空气增流器60(图1)，比如风扇，可在分离子系统16前或分离子系统16内将环境空气40(图1)引入气体燃烧流出物46。将环境空气40引入气体燃烧流出物46可将气体燃烧流出物46冷却，尽管可能仍需要通过换热器74的额外冷却以便实现气体燃烧流出物46的期望温度下降。
由于环境空气40仅包含大约400ppm的二氧化碳，将环境空气40引入气体燃烧流出物46可将气体燃烧流出物46的二氧化碳含量稀释。在一种表达中，可控制引入气体燃烧流出物46的环境空气40的量，使得气体燃烧流出物46内二氧化碳的浓度不下降到按重量计大约12%以下。在另一种表达中，可控制引入气体燃烧流出物46的环境空气40的量，使得气体燃烧流出物46内二氧化碳的浓度不下降到按重量计大约10%以下。在另一种表达中，可控制引入气体燃烧流出物46的环境空气40的量，使得气体燃烧流出物46内二氧化碳的浓度不下降到按重量计大约5%以下。
因此，将气体燃烧流出物46冷却可增强分离子系统16的吸附室70内的二氧化碳收集。
任选的干燥室76可在气体燃烧流出物46进入吸附室70之前将任何在气体燃烧流出物46中残留的水去除。在干燥室被去除的水可通过流体管线54传送至水收集器52(图1)。
干燥室76可包含干燥剂材料。各种干燥剂材料可适合用在干燥室76中以便将基本上所有的水从气体燃烧流出物46中去除。作为一个一般性实例，干燥剂材料可以是分子筛材料。作为一个具体实例，干燥剂材料可以是具有碱金属铝-硅酸盐结构的分子筛材料，其具有3埃的有效开孔。
因此，换热器74和干燥室76可将气体燃烧流出物46中最初含有的基本上所有的水去除。产生的干燥气体燃烧流出物46可随后通到吸附室70。
因此，公开的系统10可使用填埋气体产生多个潜在收入来源：电能、二氧化碳和水。另外地，公开的系统10减少或消除温室气体从填埋场22的释放。
参考图3，还公开了用于处理温室气体的方法100。方法100可在方框102处开始于收集包含二氧化碳和水的温室气体混合物的步骤。所述温室气体混合物可以是从填埋场收集的填埋气体。
任选地，在方框104，温室气体混合物可被分离成二氧化碳组分和甲烷组分。二氧化碳组分可向下游传送，而甲烷组分可继续到公开的方法100的以下步骤。
在方框106处，温室气体混合物(或者温室气体混合物的分离的甲烷组分)可被燃烧以生成气体燃烧流出物和电能。燃烧可在氧的存在下进行，比如通过将环境空气与温室气体混合物混合。燃烧步骤可将温室气体混合物中大部分(如果不是所有的)甲烷转化成二氧化碳和水。
任选地，在方框108，气体燃烧流出物可与环境空气混合。将环境空气与气体燃烧流出物混合的步骤可有利地降低气体燃烧流出物的温度。
在方框110，气体燃烧流出物可分离成水组分、二氧化碳组分和废气组分。水组分可被收集用于使用或销售，或者可简单地排放。二氧化碳组分可被收集用于使用、销售或封存(sequestration)。方框110中获得的二氧化碳组分可与方框104中获得的二氧化碳组分合并。废气组分可基本上不含二氧化碳和水，并且可释放到大气中。
因此，公开的方法100可使用填埋气体以生产多个潜在收入来源：电能、二氧化碳和水。另外地，公开的方法100可减少或消除温室气体从填埋场22的释放。
虽然已经显示和描述了公开的用于处理温室气体的系统和方法的各种实施方式，但当阅读本说明书后本领域技术人员可想到变型。本申请包含这些变型并且仅由权利要求书的范围进行限制。

Claims (16)

1.用于处理温室气体的系统，包括：
收集子系统12，其配置用于收集包含二氧化碳和甲烷的气体混合物；
燃烧子系统14，其配置用于燃烧所述气体混合物中的所述甲烷并且输出气体燃烧流出物，其中所述燃烧子系统产生电能、水和额外量的所述二氧化碳；和
分离子系统16，其配置用于将所述二氧化碳从所述气体燃烧流出物中分离。
2.权利要求1所述的系统，其中所述燃烧子系统14包括内燃机和涡轮中的至少一个。
3.权利要求1所述的系统，其中所述分离子系统16将所述水从所述气体燃烧流出物中分离。
4.权利要求1所述的系统，其中所述分离子系统16包括吸附材料。
5.权利要求4所述的系统，其中所述分离子系统16包括换热器，并且其中所述换热器在所述气体燃烧流出物接触所述吸附材料之前将所述气体燃烧流出物的温度降低。
6.权利要求4所述的系统，其中所述分离子系统16包括干燥剂，并且其中所述气体燃烧流出物在接触所述吸附材料之前接触所述干燥剂。
7.权利要求1或5所述的系统，进一步包括配置用于将环境空气40引入所述气体燃烧流出物的空气增流器60。
8.前述权利要求任一项所述的系统，进一步包括分离器18，其配置用于在所述气体混合物通到所述燃烧子系统14之前将所述二氧化碳从所述气体混合物中分离。
9.用于处理温室气体的方法，包括：
收集包含二氧化碳和甲烷的气体混合物(步骤102)；
燃烧所述甲烷以便产生电能并且输出气体燃烧流出物(步骤106)；并且
将所述二氧化碳从所述气体燃烧流出物中分离(步骤110)。
10.权利要求9所述的方法，其中所述燃烧步骤(步骤106)包括使所述甲烷通过内燃机。
11.权利要求9所述的方法，其中所述燃烧步骤(步骤106)包括使所述气体混合物通过内燃机。
12.权利要求9所述的方法，其中所述分离步骤(步骤110)包括使所述二氧化碳吸附到吸附材料上。
13.权利要求9所述的方法，进一步包括在所述分离步骤之前将所述气体燃烧流出物冷却的步骤(步骤108)。
14.权利要求9所述的方法，进一步包括将水从所述气体燃烧流出物中分离的步骤。
15.权利要求9所述的方法，进一步包括将环境空气与所述气体燃烧流出物混合的步骤，其中所述混合步骤(步骤108)在所述分离步骤之前进行。
16.权利要求9-15中任一项所述的方法，进一步包括在所述燃烧步骤之前将所述二氧化碳从所述气体混合物中分离的步骤。
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