CN103687659A - 用于低温二氧化碳分离的热综合利用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从烟气流(255)中除去CO2的烟气处理系统，其中所述系统包括：烟气压缩机(244)、至少一个烟气吸附干燥器(262)、制冷系统(252、280、270、264、260)和允许蒸馏的汽提塔(271)。本发明还提供用于冷凝在烟气流中的二氧化碳(CO2)的方法，所述方法包括通过蒸馏所述冷凝的CO2来分离的步骤。

Description

用于低温二氧化碳分离的热综合利用
发明领域
本发明涉及通过将烟气流制冷以冷凝其中存在的CO2而从富CO2烟气流中分离CO2的方法和系统。
背景
在诸如发电站的燃烧成套设备中诸如煤、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，已经研发了用于从该工艺气体中除去二氧化碳的各种方法。
CO2捕集常包括冷却、或压缩并冷却烟气来以液体或固体形式冷凝CO2且将其与诸如N2和O2的不凝结烟气组分分离。在CO2捕集之前，通常需要净化富二氧化碳烟气。气体净化操作通常可包括尘、硫化合物、金属、氮氧化物等的去除。
将烟气冷却到其冷凝温度可通过各种方式、例如使用合适的外部制冷剂来实现。使用外部制冷剂的CO2捕集系统在投资成本和操作成本两方面可能是昂贵的。作为供选，常使用自动制冷系统，其中将富CO2烟气压缩、冷却并使其膨胀以实现CO2的冷凝。
在这些系统中，将液体CO2产物用作供富CO2烟气用的冷却介质。由于在这些系统中在冷凝介质和多种蒸发介质之间的紧密的温度接近和同时换热，CO2冷凝通常使用钎焊铝换热器进行。除了昂贵之外，铝对由在来自化石燃料燃烧的烟气中的许多痕量组分如汞和颗粒物质引起的结垢敏感。自动制冷系统因此通常需要深入地进行努力以在CO2冷凝步骤上游除去烟气中的有害组分，诸如粒子过滤器、汞吸附器和SOX/NOX涤气器。因此，需要使得设备可在用于除去二氧化碳的方法中利用的系统和方法。
发明概述
本发明的一个目的在于提供用于从例如在锅炉中在存在含有氧气的气体的情况下燃烧燃料产生的烟气流中除去二氧化碳的系统和方法，所述系统和方法减轻了上述问题中的至少一个。
根据本文中描述的各方面的用于从烟气流中除去CO2的烟气处理系统和方法允许使用简单且稳定的换热器设计和材料成本有效地分离CO2。
根据本文中说明的各方面，提供用于冷凝在烟气流中的二氧化碳(CO2)的制冷系统，所述系统包括：
烟气压缩机、
至少一个烟气吸附干燥器、
用于冷凝在烟气流中的二氧化碳(CO2)的制冷系统，所述系统包括含有制冷剂的制冷线路，所述制冷线路包括：
   多级制冷剂压缩机、
   制冷剂冷凝器、
   制冷剂冷冻器、
   烟气冷冻器、
   至少一个冷凝器
和
   允许蒸馏的汽提塔；
其中所述烟气冷冻器布置在所述烟气压缩机和所述烟气吸附干燥器之间且所述烟气吸附干燥器和所述至少一个冷凝器在所述汽提塔上游串联布置。
根据一些实施方案，所述烟气处理系统还包括另一冷凝器，第一冷凝器，串联布置在第二冷凝器上游。
通过串联布置两个或更多个具有置于其间的气/液分离器的冷凝器，能量消耗效率可以得到优化，原因是逐步地而不是仅一步地进行冷却。
根据实施方案，所述烟气处理系统还包括构造成使用来自第二CO2冷凝器的CO2贫化烟气冷却所述冷凝的制冷剂的至少一部分的换热器。
根据一些实施方案，所述烟气处理系统还包括：
第一换热器，其构造成使用来自汽提塔的CO2贫化烟气冷却冷凝的制冷剂的至少一部分，
第二换热器，其构造成使用来自烟气压缩机的温热的烟气再加热来自第一制冷剂冷冻器的CO2贫化烟气，
第一烟气膨胀器，其构造成使来自第一换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，
第三换热器，其构造成使用来自烟气膨胀器的CO2贫化烟气进一步冷却来自第一制冷剂冷冻器的冷凝的制冷剂，
第四换热器，其构造成使用来自烟气压缩机的温热的烟气再加热来自第二换热器的CO2贫化烟气，
第二烟气膨胀器，其构造成使来自第二换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，和
任选的第五换热器，其构造成再加热来自第三交换器的CO2贫化烟气。
根据一些实施方案，所述烟气处理系统还包括：
第一换热器，其构造成使用来自汽提塔的CO2贫化烟气冷却冷凝的制冷剂的至少一部分，
第二换热器，其构造成使用来自烟气压缩机的温热的烟气再加热来自第一换热器的CO2贫化烟气，
第一烟气膨胀器，其构造成使来自第二换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，
第三换热器，其构造成使用来自烟气膨胀器的CO2贫化烟气进一步冷却来自第一换热器的冷凝的制冷剂，
第二烟气膨胀器，其构造成使来自第二换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，和
第四换热器，其构造成再加热来自第三交换器的CO2贫化烟气。
根据一些实施方案，所述烟气处理系统还包括选择性催化还原(SCR)单元，所述选择性催化还原(SCR)单元用于从烟气流中除去氮氧化物，相对于CO2贫化烟气流的总体流动方向其布置在烟气吸附干燥器下游。
根据本文中说明的各方面，提供了使用外部制冷剂的循环流冷凝在烟气流中的二氧化碳(CO2)的方法，所述方法包括：
a) 压缩且至少部分冷凝外部制冷剂以获得冷凝的外部制冷剂，
b) 通过经由使在步骤a)中获得的冷凝的外部制冷剂至少部分地蒸发对所述烟气流制冷来冷凝在所述烟气流中的CO2，
c) 通过蒸馏从所述烟气流分离所述冷凝的CO2，和
d) 使用在步骤c)中分离的所述冷凝的CO2来冷冻所述冷凝的外部制冷剂以便在步骤b)的制冷中使用。
根据一些方法，所述外部制冷剂为丙烷或丙烯。
根据一些方法，所述外部制冷剂为氨。
以上描述的特点及其他特点由下图和详述例示。本发明的其他目的和特点将从本说明书显而易见。
附图简述
现在参考附图，其为示例性实施方案：
图1示意性表示CO2分离系统的一个实施方案。
图2示意性表示CO2分离系统的一个实施方案。
图3示意性表示CO2分离系统的一个实施方案。
优选实施方案的详述
压力在本文中以单位“巴”计，且除非另外指明，否则表示绝对压力。
本文中结合在两种流体之间的热交换如加热、冷却或冷冻而使用的术语“间接”或“间接地”表示热交换在不将这两种流体混合在一起的情况下发生。所述间接热交换例如可在间接接触换热器中进行，其中各流体流保持分开且热经不透性隔离壁连续地传递。
本文中公开的各方面的制冷系统或烟气处理系统例如可在诸如化石燃烧锅炉系统的燃烧成套设备中施用。所述系统和方法的应用不受限制，通常它们可针对具有增加的CO2浓度、例如高于50%的CO2浓度的所有气流使用。
通常，离开化石燃烧氧锅炉系统的烟气将含有50-80体积%的二氧化碳。“富二氧化碳烟气”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少许渗漏。
在化石燃烧氧锅炉系统中产生的富二氧化碳烟气通常可包含以例如尘粒、盐酸HCl、氮氧化物NOX、硫氧化物SOX和包括汞Hg的重金属形式的污染物。
在本文中描述的实施方案中的CO2分离借助于压缩烟气并通过制冷使其冷凝来实现。图1示意性示出了用于冷凝在烟气流中的二氧化碳(CO2)的CO2分离系统。图1的CO2分离系统可在任何化石燃烧氧锅炉系统中施用。CO2分离系统10包括操作用以使烟气从锅炉任选经由诸如除尘装置、二氧化硫去除系统和烟气冷凝器的一个或多个烟气处理单元前进到烟囱的烟气导管55。
CO2分离系统10任选可包括具有至少一个且通常两个至十个用于压缩富二氧化碳烟气的压缩级段的至少一个压缩机44。该烟气压缩机操作用以将烟气压缩到一定的压力，在该压力下当烟气的温度在至少一个CO2冷凝器70中，例如在两个CO2冷凝器64、70中降低时气态CO2转化成液态。该富二氧化碳烟气通常在该多级压缩机中压缩到约20巴或更高、诸如约33巴的压力。各压缩级段可作为独立的单元布置。作为供选，多个压缩级段可通过共用的驱动轴操作。压缩机44还可包括在一个或多个压缩级段下游的中间冷却单元(未示出)。该中间冷却单元还可构造成收集并处置在该富二氧化碳烟气的压缩和/或冷却期间形成的任何液体冷凝物。
CO2分离系统10包括具有含有以液体和/或蒸气形式的制冷剂的制冷线路51的制冷系统50。可使用多种不同的制冷剂以提供在该制冷系统中冷凝CO2所需要的冷却和冷凝功用。可使用的制冷剂的实例包括丙烷(R290)和丙烯(R1270)及其混合物。另一选项为氨。还可根据需要使用具有所要热力学和化学性质的其他制冷剂。
制冷线路51包括构造成将制冷剂压缩到预定压力的多级制冷剂压缩机52。多级压缩机52例如可具有三个或更多个压缩级段，各压缩级段构造成将制冷剂压缩到某一压力水平。多级压缩机52可提供有在两个或更多个压缩级段之间的中间冷却。
将冷的气态制冷剂在多级压缩机52内从低压压缩到例如在约8-25巴范围内的压力P0(取决于制冷剂和冷凝介质温度)并引导到制冷剂冷凝器53中。高压制冷剂随后在制冷剂冷凝器53内基本冷凝，其可通过水、加压空气等冷却。
将冷凝的制冷剂分配到烟气冷冻器60、第一CO2冷凝器64和第二CO2冷凝器70，在其中将其用于冷冻含有CO2的烟气。
烟气冷冻器60包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。该烟气冷冻器还包括换热器，其中使该制冷剂膨胀到例如约5巴的压力P1，且使用沸腾的制冷剂以将该烟气流间接地冷冻到在约10-20℃范围内的温度。将在烟气冷冻器中冷冻期间从烟气中析出的水从烟气流分离且经管线61除去。来自烟气冷冻器的水蒸气贫化的冷冻烟气随后任选经吸附干燥器(未示出)前进到第一CO2冷凝器64。
第一CO2冷凝器64包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。第一CO2冷凝器64还包括换热器，在该换热器中使液化的制冷剂膨胀到例如约2.7巴的压力P2(<P1)，且使用沸腾的制冷剂将烟气流间接地冷冻到约-20℃的温度，促使至少一部分CO2从烟气中冷凝。第一CO2冷凝器64还包括第一气/液分离器65。气/液分离器65从残留的部分CO2贫化烟气(排出气体)中分离以液体形式的冷凝的CO2。液化的CO2经管线66离开气/液分离器65且通过CO2产物泵67抽吸到CO2产物罐。该排出气体经管线68离开气/液分离器65。
该部分CO2贫化的排出气体经管线68前进到第二CO2冷凝器70。第二CO2冷凝器70包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。第二CO2冷凝器70还包括换热器，在该换热器中使液化的制冷剂膨胀到例如大气压力(约1巴)的压力P3 (<P2)，且使用沸腾的制冷剂以将烟气流间接地冷冻到约-42℃的温度，促使至少一部分CO2从烟气中冷凝。制冷温度受制冷剂的最低能实现的温度限制。对于丙烯或丙烷，该温度极限在环境压力水平下将为约-45℃。
来自第二CO2冷凝器70的部分冷凝的烟气流前进到汽提塔71，以便蒸馏纯化该液体。该物流在顶部进料到塔中且液体部分充当所需要的回流。由此，该汽提塔不需要任何塔顶冷凝系统来产生回流。因此，使该系统的总投资成本减至最小。液化的CO2向下流过该汽提塔且与向上流动的气体密切接触。该接触提取(汽提)液体CO2的痕量杂质且因此增加该CO2的浓度。纯化的CO2经管线72离开汽提塔71，到达汽提再沸器84。在该再沸器中，使一部分CO2蒸发以产生该塔所需要的气流。热通过使一部分制冷剂过冷来提供。
剩余的液体可从塔贮槽或如所示从再沸器提取且随后通过CO2泵86经另一换热器85抽吸到CO2产物罐，在换热器85中，将制冷剂冷却到约1-5℃，例如3-4℃。从该罐中，CO2产物的压力通过CO2产物泵88升高到进一步加工所需要的水平。
制冷系统50还包括制冷剂冷冻器80。制冷剂冷冻器80包括构造成通过与来自汽提塔71的冷的纯化的液体CO2间接接触来冷冻制冷剂的换热器。来自第一CO2冷凝器64和第二CO2冷凝器70的冷凝的CO2的温度通常可分别为约-20℃和约-42℃。该制冷剂的温度可在制冷剂冷冻器80中从约15-30℃降到约1℃。
来自第一CO2冷凝器64和第二CO2冷凝器70的冷凝的CO2的温度通常可分别为约-20℃和约-42℃。该制冷剂的温度可在制冷剂冷冻器80中从约15-30℃降到约1℃。
使来自烟气冷冻器60、第一CO2冷凝器64和第二CO2冷凝器70的蒸发的制冷剂返回到多级压缩机52以便再次压缩，且在冷凝之后用于进一步冷却烟气流。来自烟气冷冻器60的处于例如约5巴的压力P1下的蒸发的制冷剂前进到多级压缩机52的适合接收处于压力P1下的制冷剂的第一压缩级段52’。来自第一CO2冷凝器64的处于例如约2.7巴的压力P2下的蒸发的制冷剂任选经制冷剂压缩机吸入罐56前进到多级压缩机52的适合接收处于压力P2下的制冷剂的第二压缩级段52’’。来自第二CO2冷凝器70的处于例如约1巴的压力P3下的蒸发的制冷剂任选经制冷剂压缩机吸入罐57前进到多级压缩机52的适合接收处于压力P3下的制冷剂的第三压缩级段52’’’。随后将蒸发的制冷剂流再压缩到压力P0且在制冷线路中再次使用。
来自制冷剂冷冻器80的液体CO2产物可收集在CO2产物罐87中且随后可通过CO2产物泵88抽吸到适合输送或进一步加工的压力水平。如果压力在CO2产物泵67或73中在单一步骤中增加到该水平，则该泵将太多的热引入CO2产物流且由此降低可用于冷冻在制冷剂冷冻器和/或辅助制冷剂冷冻器中的制冷剂的功用。
图2示意性示出了集成到烟气处理系统中用于从烟气流如在锅炉中在存在含有氧气的气体的情况下燃烧燃料的过程中产生的烟气流中除去CO2的CO2分离系统的一个实施方案。
CO2分离系统110包括具有至少一个且通常2-10个用于压缩富二氧化碳烟气的压缩级段的至少一个压缩机144。烟气压缩机144操作用以将烟气压缩到一定的压力，在该压力下当烟气的温度在CO2冷凝器164、170中降低时气态CO2转化成液体形式。该富二氧化碳烟气通常在该多级压缩机中压缩到约20巴或更高、诸如约33巴的压力。各压缩级段可作为独立的单元布置。作为供选，多个压缩级段可通过共用的驱动轴操作。压缩机144还可包括在一个或多个压缩级段下游的中间冷却单元(未示出)。该中间冷却单元还可构造成收集并处置在该富二氧化碳烟气的压缩和/或冷却期间形成的任何液体冷凝物。
残留水可导致在该CO2冷凝器的换热器中形成冰，最后导致与该换热器的冷却能力降低和堵塞有关的问题。通过在CO2冷凝器上游提供吸附干燥器70，避免了所述问题或至少使所述问题减至最少。因此，CO2分离系统110还可包括操作用以除去在该富CO2烟气流中的至少一部分剩余水蒸气的吸附干燥器162。吸附干燥器162提供有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的填料。该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一材料。因此，随着压缩并冷冻的富二氧化碳烟气穿过该填料，该气体的至少一部分水蒸气内含物将吸附在该填料的干燥剂上。因为在烟气中的水蒸气会堵塞CO2冷凝器的换热器，所以在吸附干燥器中该烟气的水露点降低到约-60℃。可优选选择干燥器材料以使得其可耐受最终形成的酸。这允许省略去除否则会损害吸附剂的完整性的SOX和NOX化合物的另外步骤。
吸附干燥器162可提供有用于使该吸附干燥器的水蒸气吸附能力间歇再生的再生和加热系统。布置供给导管190以将再生气体供给到该系统。该再生气体优选为不与该吸附干燥器的填料反应的惰性气体。合适气体的实例包括氮气或优选包含少量汞和水蒸气的另一惰性气体。优选将与CO2分离系统110中的二氧化碳分离的通常包含作为其主要成分之一的氮气的排出气体用作再生气体。该再生系统包括适宜加热该再生气体的加热器191。加热线路连接到该加热器以便于诸如蒸汽的加热介质在该加热器中循环。对于吸附干燥器162的填料材料的再生，该加热器通常可将该再生气体加热到约120-300℃的温度。在再生顺序期间，加热的再生气体自再生和加热系统供给到吸附干燥器162。该再生气体加热该填料材料且导致水蒸气脱附。
根据一个实施方案，该系统可提供有两个平行的吸附干燥器，其中这些平行吸附干燥器中的一个处于操作中，而另一平行吸附干燥器经历再生。根据另一实施方案，在该吸附干燥器的填料的再生期间，该富二氧化碳烟气可排到大气中。
参考图2，烟气CO2分离系统110包括用于冷凝在烟气流中的二氧化碳的制冷系统150。制冷系统150包括含有以液体和/或蒸气形式的制冷剂的制冷线路151。可使用多种不同的制冷剂以提供在该制冷系统中冷凝CO2所需要的冷却和冷凝功用。可使用的制冷剂的实例包括丙烷(R290)和丙烯(R1270)及其混合物。还可根据需要使用具有所要热力学和化学性质的其他制冷剂。
制冷线路151包括构造成将制冷剂压缩到预定压力的多级制冷剂压缩机152。该多级压缩机例如可具有三个或更多个压缩级段，各压缩级段构造成将制冷剂压缩到某一压力水平。该多级压缩机可提供有在两个或更多个压缩级段之间的中间冷却。
将冷的气态制冷剂在多级压缩机152内从低压压缩到例如在约8-约25巴范围内的压力P0(取决于制冷剂和冷凝介质温度)并引导到制冷剂冷凝器153中。高压制冷剂随后在制冷剂冷凝器153内基本冷凝，其可通过水、加压空气等冷却。
将冷凝的制冷剂分配到烟气冷冻器160、第一CO2冷凝器164和第二CO2冷凝器170，在其中将其用于冷冻在烟气导管155中行进的含有CO2的烟气。
烟气冷冻器160包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。该烟气冷冻器还包括换热器，其中使该制冷剂膨胀到例如约5巴的压力P1，且使用沸腾的制冷剂以将该烟气流间接地冷冻到在约6-20℃范围内的温度。将在烟气冷冻器中冷冻期间从烟气中析出的水从烟气流分离且经管线161除去。来自烟气冷冻器的水蒸气贫化的冷冻烟气随后前进到吸附干燥器162。
来自吸附干燥器162的冷冻并干燥的烟气前进到第一CO2冷凝器164。该第一CO2冷凝器包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。该第一CO2冷凝器还包括换热器，在该换热器中使液化的制冷剂膨胀到例如约2.7巴的压力P2(<P1)，且使用沸腾的制冷剂将烟气流间接地冷冻到约-20℃的温度，促使至少一部分CO2从烟气中冷凝。第一CO2冷凝器164还包括第一气/液分离器165。气/液分离器165从残留的部分CO2贫化烟气(排出气体)中分离以液体形式的冷凝的CO2。液化的CO2经管线166离开气/液分离器165且前进到汽提塔171。
该部分CO2贫化的排出气体经管线168前进到第二CO2冷凝器170。第二CO2冷凝器170包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。该第二CO2冷凝器还包括换热器，在该换热器中使液化的制冷剂膨胀到例如大气压力(约1巴)的压力P3 (<P2)，且使用沸腾的制冷剂以将烟气流间接地冷冻到约-42℃的温度，促使至少一部分CO2从烟气中冷凝。制冷温度受制冷剂的最低能实现的温度限制。对于丙烯或丙烷，该温度极限在环境压力水平下将为约-45℃。
来自第二CO2冷凝器170的部分冷凝的烟气流前进到汽提塔171，以便蒸馏纯化该液体。该物流在顶部进料到塔中且液体部分充当所需要的回流。由此，该汽提塔不需要任何塔顶冷凝系统来产生回流。因此，使该系统的总投资成本减至最小。液化的CO2向下穿过汽提塔且与向上流动的气体密切接触。该接触提取(汽提)液体CO2的痕量杂质且因此该CO2的浓度增加。纯化的CO2经管线172离开汽提塔171到达汽提再沸器184。在该再沸器中，使一部分CO2蒸发以产生该塔所需要的气流。热通过使一部分制冷剂过冷来提供。剩余的液体可从塔贮槽或如所示从再沸器提取且随后通过CO2泵186经另一换热器185抽吸到CO2产物罐，在换热器185中，将制冷剂冷却到约1-5℃，例如3-4℃。从该罐中，CO2产物的压力通过CO2产物泵188升高到进一步加工所需要的水平。
制冷系统150还包括制冷剂冷冻器180。制冷剂冷冻器180包括构造成通过与来自汽提塔171的冷的纯化的液体CO2间接接触来冷冻制冷剂的换热器。
来自第一CO2冷凝器164和第二CO2冷凝器170的冷凝的CO2的温度通常可分别为约-20℃和约-42℃。该制冷剂的温度可在制冷剂冷冻器180中从约15-30℃降到约1℃。
制冷系统150还包括制冷剂冷冻器180。制冷剂冷冻器180包括构造成通过与来自该汽提塔的冷的纯化的液体CO2间接接触来冷冻制冷剂的换热器。
来自第一CO2冷凝器164和第二CO2冷凝器170的冷凝的CO2的温度通常可分别为约-20℃和约-42℃。该制冷剂的温度可在制冷剂冷冻器180中从约15-30℃降到约1℃。
来自制冷剂冷冻器180的冷冻的制冷剂经管线181、182、183分流并分配到烟气冷冻器160、第一CO2冷凝器164和第二CO2冷凝器170。可选择分配到烟气冷冻器160、第一CO2冷凝器164和第二CO2冷凝器170中每一个的制冷剂的量以在各换热器中提供所要的制冷。
来自制冷剂冷冻器180的液体CO2产物可收集在CO2产物罐187中且随后可通过CO2产物泵188抽吸到适合输送或进一步加工的压力水平。如果压力在CO2产物泵167或173中在单一步骤中增加到该水平，则该泵将太多的热引入CO2产物流且由此降低可用于冷冻在制冷剂冷冻器和/或辅助制冷剂冷冻器中的制冷剂的功用。
在图2中的制冷系统150还包括使用来自第二CO2冷凝器的冷的CO2贫化烟气预冷却来自制冷剂冷凝器的冷凝的制冷剂的至少一部分的设备。该设备包括构造成通过与经管线174来自第二CO2冷凝器170的冷的CO2贫化烟气间接接触冷却来自制冷剂冷凝器153的制冷剂的第一换热器192。第二换热器193构造成使用来自烟气压缩机144的温热的烟气再加热来自第一换热器192的CO2贫化烟气。烟气膨胀器194构造成使来自第二换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，引起烟气温度降低。来自烟气膨胀器194的烟气前进到第三换热器195，在其中其用于进一步冷却来自第一换热器的冷凝的制冷剂。
任选所述配置还包括第四换热器196，其构造成使用来自烟气压缩机144的温热的烟气再加热来自第三换热器195的CO2贫化烟气；第二烟气膨胀器197，其构造成使来自第四换热器196的再加热的CO2贫化烟气膨胀，引起烟气温度降低；和第五换热器198，其构造成使用来自烟气压缩机144的温热的烟气再加热来自第二烟气膨胀器197的膨胀的烟气。该任选的配置提供再加热的烟气，该再加热的烟气可能在再生气体加热器191中另外加热之后适合作为用于如上所述吸附干燥器162的再生的再生气体使用。再加热的烟气可前进到(任选的)选择性催化还原(SCR)单元以通过选择性催化还原成N2而从烟气中除去氮氧化物。
使来自烟气冷冻器160、第一CO2冷凝器164和第二CO2冷凝器170的蒸发的制冷剂返回到多级压缩机152以便再次压缩且用于进一步冷却烟气流。来自烟气冷冻器160的处于例如约5巴的压力P1下的蒸发的制冷剂前进到多级压缩机152的适合接收处于压力P1下的制冷剂的第一压缩级段152’。来自第一CO2冷凝器164的处于例如约2.7巴的压力P2下的蒸发的制冷剂任选经制冷剂压缩机吸入缸156前进到多级压缩机152的适合接收处于压力P2下的制冷剂的第二压缩级段152’’。来自第二CO2冷凝器170的处于例如约1巴的压力P3下的蒸发的制冷剂任选经制冷剂压缩机吸入缸157前进到多级压缩机152的适合接收处于压力P3下的制冷剂的第三压缩级段152’’’。随后将蒸发的制冷剂流再压缩到压力P0且在制冷线路中再次使用。
参考图3，CO2分离系统210包括制冷系统250。制冷系统250包括含有以液体和/或蒸气形式的制冷剂的制冷线路251。可使用多种不同的制冷剂以提供在该制冷系统中冷凝CO2所需要的冷却和冷凝功用。可使用的制冷剂的实例包括R290(丙烷)和R1270(丙烯)及其混合物。另一制冷剂选项为氨。还可根据需要使用具有所要热力学和化学性质的其他制冷剂。
该制冷线路包括构造成将制冷剂压缩到预定压力的多级制冷剂压缩机252。该多级压缩机例如可具有三个或更多个压缩级段，各压缩级段构造成将制冷剂压缩到某一压力水平。该多级压缩机可提供有在两个或更多个压缩级段之间的中间冷却。
将冷的气态制冷剂在多级压缩机252内从低压压缩到例如在约8-约25巴范围内的压力P0(取决于制冷剂和冷凝介质温度)并引导到制冷剂冷凝器253中。高压制冷剂随后在制冷剂冷凝器253内基本冷凝，其可通过水、加压空气等冷却。
制冷线路251包括将从制冷剂冷凝器253流出的制冷剂分流成第一部分和第二部分的液体分流器。
该冷凝的制冷剂的第一部分经管线254a引导到构造成使用在汽提塔271中分离的液体CO2冷冻该部分冷凝的制冷剂的制冷剂冷冻器280。该冷凝的制冷剂的第二部分经管线254b引导到构造成使用来自第二CO2冷凝器270的CO2贫化烟气冷却该冷凝的制冷剂的第二部分的换热器配置。
该冷凝的制冷剂的第一部分从制冷剂冷凝器253经管线254a前进到制冷剂冷冻器280。该制冷剂冷冻器包括构造成通过与来自汽提塔271的冷的冷凝的CO2间接接触来冷冻制冷剂的换热器。
来自第二CO2冷凝器270的那部分冷凝的烟气流前进到汽提塔271，以便蒸馏纯化该液体。
该物流在顶部进料到塔中且液体部分充当所需要的回流。由此，该汽提塔不需要任何塔顶冷凝系统来产生回流。因此，使该系统的总投资成本减至最小。液化的CO2向下流过汽提塔且与向上流动的气体密切接触。该接触提取(汽提)液体CO2的痕量杂质且因此该CO2的浓度增加。纯化的CO2经管线272离开汽提塔271到达汽提再沸器284。在该再沸器中，使一部分CO2蒸发以产生该塔所需要的气流。热通过使该塔所需要的气流过冷来提供。热通过使一部分制冷剂过冷来提供。
剩余的液体可从塔贮槽或如所示从再沸器提取且随后通过CO2泵81经另一换热器285抽吸到CO2产物罐，在换热器285中，将制冷剂冷却到约1-5℃，例如3-4℃。从该罐中，CO2产物的压力通过CO2产物泵288升高到进一步加工所需要的水平。
制冷系统250还包括制冷剂冷冻器280。制冷剂冷冻器280包括构造成通过与来自汽提塔71的冷的纯化的液体CO2间接接触来冷冻制冷剂的换热器。
来自第一CO2冷凝器264和第二CO2冷凝器270的冷凝的CO2的温度通常可分别为约-20℃和约-42℃。该制冷剂的温度可在制冷剂冷冻器280中从约15-30℃降到约1℃。
可选择分配到烟气冷冻器260、第一CO2冷凝器264和第二CO2冷凝器270中每一个的制冷剂的量以在各换热器中提供所要的制冷。
烟气冷冻器260包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。该烟气冷冻器还包括换热器，在该换热器中使制冷剂膨胀到例如约5巴的压力P1且使用沸腾的制冷剂将烟气流间接地冷冻到在约6-20℃范围内的温度。将在烟气冷冻器中冷冻期间从烟气中析出的水从烟气流分离且经管线261除去。来自烟气冷冻器的水蒸气贫化的冷冻烟气随后任选经吸附干燥器262前进到第一CO2冷凝器264。
该第一CO2冷凝器包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。该第一CO2冷凝器还包括换热器，在该换热器中使液化的制冷剂膨胀到例如约2.7巴的压力P2(<P1)，且使用沸腾的制冷剂将烟气流间接地冷冻到约-20℃的温度，促使至少一部分CO2从烟气中冷凝。第一CO2冷凝器264还包括第一气/液分离器265。气/液分离器265从残留的部分CO2贫化烟气(排出气体)中分离以液体形式的冷凝的CO2。液化的CO2经管线266离开第一气/液分离器265且通过CO2产物泵267抽吸到例如约60巴的压力，当将CO2产物用于冷却在制冷剂冷冻器280中的制冷剂时足以防止该CO2产物蒸发。该排出气体经管线268离开气/液分离器265。
部分CO2贫化的排出气体经管线268前进到第二CO2冷凝器270。该第二CO2冷凝器包括用于降低冷凝的制冷剂的压力并诱发蒸发的例如膨胀阀(未示出)的计量装置。该第二CO2冷凝器还包括换热器，在该换热器中使液化的制冷剂膨胀到例如大气压力(约1巴)的压力P3 (<P2)，且使用沸腾的制冷剂以将烟气流间接地冷冻到约-42℃的温度，促使至少一部分CO2从烟气中冷凝。制冷温度受制冷剂的最低能实现的温度限制。对于丙烯或丙烷，该温度极限在环境压力水平下将为约-45℃。该第二CO2冷凝器还包括气/液分离器271。气/液分离器271从残留的部分CO2贫化烟气(排出气体)中分离以液体形式的冷凝的CO2。
来自第二CO2冷凝器270的部分冷凝的烟气流前进到汽提塔271，以便蒸馏纯化该液体。该物流在顶部进料到塔中且液体部分充当所需要的回流。由此，该汽提塔不需要任何塔顶冷凝系统来产生回流。因此，使该系统的总投资成本减至最小。液化的CO2向下流过汽提塔且与向上流动的气体密切接触。该接触提取(汽提)液体CO2的痕量杂质且因此该CO2的浓度增加。纯化的CO2经管线272离开汽提塔271到达汽提再沸器284。在该再沸器中，使一部分CO2蒸发以产生该塔所需要的气流。热通过使一部分制冷剂过冷来提供。
剩余的液体可从塔贮槽或如所示从再沸器提取且随后通过CO2泵286经另一换热器抽吸到CO2产物罐，在该换热器中，将制冷剂冷却到约1-5℃，例如3-4℃。从该罐中，CO2产物的压力通过CO2产物泵288升高到进一步加工所需要的水平。
如果压力在CO2产物泵273中在单一步骤中增加到该水平，则该泵将太多的热引入CO2产物流且由此降低可用于冷冻在制冷剂冷冻器280中的制冷剂的功用。
该冷凝的制冷剂的第二部分经管线254b引导到构造成使用来自第二CO2冷凝器270的CO2贫化烟气冷却该冷凝的制冷剂的第二部分的换热器配置。该换热器配置包括两个并联布置的换热器292a、292b。来自该制冷剂冷凝器的第二部分冷凝的制冷剂分成两个子流，各子流分别经管线254b1和254b2导向这两个换热器之一。换热器292a构造成使用来自第二CO2冷凝器270的CO2贫化烟气冷却该冷凝的制冷剂的子流254b1。换热器293构造成使用来自烟气压缩机244的温热的烟气再加热来自换热器292a的CO2贫化烟气。烟气膨胀器294构造成使来自换热器293的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀。换热器292b构造成使用来自烟气膨胀器294的CO2贫化烟气冷却该冷凝的制冷剂的子流254b2。将来自换热器292a、292b的冷却的第一子流和冷却的第二子流组合且经管线295前进到管线283，在管线283中将其与来自辅助制冷剂冷冻器286的制冷剂组合。
任选所述配置还包括换热器296，其构造成使用来自烟气压缩机244的温热的烟气再加热来自换热器292b的CO2贫化烟气；第二烟气膨胀器297，其构造成使来自换热器296的再加热的CO2贫化烟气膨胀，引起烟气温度降低；和换热器298，其构造成使用来自烟气压缩机244的温热的烟气再加热来自第二烟气膨胀器297的膨胀的烟气。该任选的配置提供再加热的烟气，该再加热的烟气可能在再生气体加热器291中另外加热之后适合作为用于如上所述吸附干燥器262的再生的再生气体使用。
任选该再加热的烟气可前进到(任选的) SCR单元以通过选择性催化还原成N2而从烟气中除去氮氧化物。
使来自烟气冷冻器260、第一CO2冷凝器264和第二CO2冷凝器270的蒸发的制冷剂返回到多级压缩机252以便再次压缩且用于进一步冷却烟气流。来自烟气冷冻器260的处于例如约5巴的压力P1下的蒸发的制冷剂前进到多级压缩机252的适合接收处于压力P1下的制冷剂的第一压缩级段252’。来自第一CO2冷凝器264的处于例如约2.7巴的压力P2下的蒸发的制冷剂任选经制冷剂压缩机吸入缸256前进到多级压缩机252的适合接收处于压力P2下的制冷剂的第二压缩级段252’’。来自第二CO2冷凝器270的处于例如约1巴的压力P3下的蒸发的制冷剂任选经制冷剂压缩机吸入缸257前进到多级压缩机252的适合接收处于压力P3下的制冷剂的第三压缩级段252’’’。随后将蒸发的制冷剂流在多级压缩机252中再压缩到压力P0且在该制冷线路中再次使用。
上文描述的实施方案的优势包括：
- 与常规制冷的CO2分离系统相比，能量消耗较低；
- 允许使用简单稳定的换热器设计和材料，其在预防结垢和腐蚀方面稳定；
- 没有出于工艺原因所必需的烟气精加工(polishing)设备；
- 允许更简单的设备设计；
- 允许更常规且简单的设备且在干燥器下游使用碳钢；
- 允许经由抽吸而不是成本更高的压缩来输送CO2；
- 没有塔顶系统如塔顶蒸气冷凝器、回流罐和回流泵的更简单的工艺方案。
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价物替代其要素。另外，可在不脱离本发明的基本范围的情况下进行许多改进以适应本发明教导的特定情形或材料。因此，并非想要将本发明限制于作为针对实施本发明所预期的最佳模式公开的特定实施方案，而是本发明将包括落入随附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 (9)

1.从烟气流中除去CO2的烟气处理系统，其包括：
烟气压缩机、
至少一个烟气吸附干燥器、
用于冷凝在烟气流中的二氧化碳(CO2)的制冷系统，所述系统包括含有制冷剂的制冷线路(51)，所述制冷线路包括：
    多级制冷剂压缩机(52)、
    制冷剂冷凝器(53)、
    制冷剂冷冻器(80)、
    烟气冷冻器(60)、
    至少一个冷凝器(70)
和
    允许蒸馏的汽提塔(71)；
其中所述烟气冷冻器布置在所述烟气压缩机和所述烟气吸附干燥器之间且所述烟气吸附干燥器和所述至少一个冷凝器在所述汽提塔上游串联布置。
2.权利要求1的烟气处理系统，所述系统包括在所述冷凝器(70)上游串联布置的另一冷凝器(64)。
3.权利要求1或2中任一项的烟气处理系统，所述系统还包括：
换热器，其构造成使用来自第二CO2冷凝器的CO2贫化烟气冷却所述冷凝的制冷剂的至少一部分。
4.权利要求1-3中任一项的烟气处理系统，所述系统还包括：
第一换热器，其构造成使用来自所述汽提塔的CO2贫化烟气冷却所述冷凝的制冷剂的至少一部分，
第二换热器，其构造成使用来自所述烟气压缩机的温热的烟气再加热来自第一制冷剂冷冻器的CO2贫化烟气，
第一烟气膨胀器，其构造成使来自第一换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，
第三换热器，其构造成使用来自所述烟气膨胀器的CO2贫化烟气进一步冷却来自第一制冷剂冷冻器的冷凝的制冷剂，
第四换热器，其构造成使用来自所述烟气压缩机的温热的烟气再加热来自第二换热器的CO2贫化烟气，
第二烟气膨胀器，其构造成使来自第二换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，和
任选的第五换热器，其构造成再加热来自第三交换器的CO2贫化烟气。
5.权利要求1-3中任一项的烟气处理系统，所述系统还包括：
第一换热器，其构造成使用来自所述汽提塔的CO2贫化烟气冷却所述冷凝的制冷剂的至少一部分，
第二换热器，其构造成使用来自所述烟气压缩机的温热的烟气再加热来自第一换热器的CO2贫化烟气，
第一烟气膨胀器，其构造成使来自第二换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，
第三换热器，其构造成使用来自所述烟气膨胀器的CO2贫化烟气进一步冷却来自第一换热器的所述冷凝的制冷剂，
第二烟气膨胀器，其构造成使来自第二换热器的再加热的压缩的CO2贫化烟气膨胀，和
第四换热器，其构造成再加热来自第三交换器的CO2贫化烟气。
6.权利要求1-5中任一项的烟气处理系统，所述系统还包括：
选择性催化还原(SCR)单元，相对于所述烟气流的总体流动方向其布置在所述烟气吸附干燥器下游用于从所述烟气流中除去氮氧化物(NOx)。
7.使用外部制冷剂的循环流冷凝在烟气流中的二氧化碳(CO2)的方法，所述方法包括：
a) 压缩且至少部分冷凝外部制冷剂以获得冷凝的外部制冷剂，
b) 通过经由使在步骤a)中获得的冷凝的外部制冷剂至少部分地蒸发对所述烟气流制冷来冷凝在所述烟气流中的CO2，
c) 通过蒸馏从所述烟气流分离所述冷凝的CO2，和
d) 使用在步骤c)中分离的所述冷凝的CO2来冷冻所述冷凝的外部制冷剂以便在步骤b)的制冷中使用。
8.权利要求7的方法，其中所述外部制冷剂为丙烷或丙烯。
9.权利要求7的方法，其中所述外部制冷剂为氨。
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