CN104105537A - 吸收二氧化碳的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从包含二氧化碳的气流中在带有特定顺序的部分的吸收设备中实施二氧化碳吸收并减少气溶胶形成的风险的方法，该方法包含特定的步骤。本发明的另一方面涉及结构材料作为二氧化碳吸收作用的设备中的二氧化碳吸收部分的一部分的使用，其特点在于该使用在二氧化碳吸收部分的顶部减少气溶胶的形成风险。本发明的另一方面为包含特定顺序的部分的吸收设备的使用，该使用是为了减少溶剂和水的过饱和以及气溶胶形成的风险。

Description

吸收二氧化碳的方法和设备

本发明涉及用于二氧化碳的吸收的方法和设备。本发明特别地属于CCS（碳收集和封存）领域，更具体地指燃烧后的处理，该吸收技术被用来从烟气中收集二氧化碳来减少二氧化碳的排放。

常规的吸收二氧化碳的设备，例如已经在美国专利US20030045756中公开的。该吸收设备呈柱状，也称作吸收塔。该吸收塔包含二氧化碳吸收部分以及洗涤和冷却结合的部分。在吸收塔的二氧化碳吸收部分中，进入的燃烧排气或者烟气成为逆流，与可溶解二氧化碳的吸收溶剂接触。该溶剂为胺类、氨基酸类或者通常能与二氧化碳反应并有合适的蒸汽压的化合物的水溶液。二氧化碳与吸收溶剂接触，并且二氧化碳与反应溶剂之间发生化学反应。因此吸收溶剂带有了与反应溶剂化合物进行化学反应的二氧化碳，从而吸收溶剂从排气中吸收了二氧化碳。该化学反应为放热反应，因此该吸收溶剂的温度在吸收过程中升高。

当烟气中包含的二氧化碳与溶剂接触时，烟气将会根据溶剂的分压与溶剂达到饱和。分压导致烟气中溶剂的饱和度随着温度升高而增大。因此离开吸收部分的脱碳的排气包含的溶剂浓度相对较高，并且无法释放到大气中。为此在吸收塔中设置有洗涤和冷却结合的部分。洗涤和冷却结合的部分用来从脱碳的排气中将脱水的胺类化合物移除到冷凝水中。根据US2003/0045756 A1公开的方案，洗涤水被从吸收塔中的液体容器中抽到冷却器中，并且回流入液体容器上方的封装部分中。此类部分构型在文献中也称作泵循环回流。置有在塔横截面上使水均匀分布的装置。另外有装置用来接触含有脱水的胺类化合物的脱碳的排气，使得胺类化合物从脱碳的排气中移入洗涤水中。文献US2003/0045756 A1教导单个的洗涤和冷却结合的部分不足以使胺类化合物完全从脱碳的气流中去除。在此文献中提出的解决方案预测了多个洗涤和冷却结合的部分多级分布在吸收塔中。

另一种减少脱碳的排气流中的溶剂含量的方法在WO2011/087972中被公开。根据此文献中公开的方法，设置控制单元来调控基本上不含溶剂的水流形成逆流，在排放控制部分的洗涤部分中与烟气接触，还调控吸收设备中被循环到气体冷却部分中的冷却的洗涤水的量。因此，与冷却的脱碳气流一起离开吸收设备的溶剂的量被减至最低。如此，根据WO2011/087972实施方法的柱体包含吸收部分、位于吸收部分上方的洗涤部分和位于吸收部分上方的冷却部分。

然而，溶剂对二氧化碳的吸收引起了另外的问题，即在吸收部分中发生的吸收反应带来的内在的问题。二氧化碳与胺类化合物之间的吸收反应是放热的，因此含有二氧化碳的气体经过吸收部分时温度会升高。在吸收部分的顶端部分，气体与冷却的稀溶剂接触，因此气体温度急剧下降。图2显示了该吸收部分典型的温度曲线，由于在吸收部分顶端部分烟气快速冷却，溶剂和水变成过饱和，存在潜在的形成气溶胶的风险。过饱和无法避免，这是由于不同的热通量和质量通量速率，其为部分中置有的封装的特性，后文将会进行解释。

在吸收部分的顶部，封装元件的上端部分，温度变化非常快，这是由于温度不同而引起的显热的高流通量。当烟气温度迅速下降时，由于分压，质量通量，尤其是溶剂的质量通量，变化不够快速来保持低于饱和平衡。溶剂和水的浓度变得比饱和度高，即称作过饱和状态。

在吸收部分的封装元件的上端部分，脱碳气体的温度下降越大，其过饱和度越高。增加的过饱和度使得气溶胶形成的可能性变大。当呈气相的过饱和成分形成微滴时，气溶胶形成，即，冷凝在大量的气相中。微滴形成是由于成核作用引起的。如果固体微粒存在于气流中，成核作用发生的可能性随着气流中此类固体微粒浓度增加而变大。烟气流通常包含飞尘和可能包含亚硫酸盐和硫酸盐颗粒，其可作为成核作用的初始，并被置于二氧化碳吸收设备上游的烟气脱硫单元出来的烟气流携带。

气溶胶微滴在小于5微米的范围内，大多数小于2微米。如此小体积的微滴无法被常规的微滴分离器收集，因此通过常规的微滴分离设备无法过滤气溶胶，其影响使得净化的气流离开吸收设备顶部时仍然带有不希望量的气溶胶。

因此本发明的目的在于提出改进的从包含二氧化碳的气流中吸收二氧化碳的吸收方法，以及实施所述改进的吸收方法的改进的吸收设备。尤其地，本发明的目的是减少气溶胶形成的风险。

为了下述对本发明的描述，下列定义被认为会有帮助：

吸收部分：吸收部分的目的为从烟气移除二氧化碳。使用与二氧化碳反应的溶剂从烟气吸收二氧化碳。

洗涤部分：洗涤部分的目的为吸收溶剂。冷却烟气并非洗涤部分的任务。通过使用基本上不含溶剂的水，溶剂从低二氧化碳含量的烟气中被脱除。水并没有从该部分底部被循环到顶部：洗涤部分在“一次通过”模式下被操作。洗涤部分中所运用来从烟气中吸收溶剂的水为来自冷却部分分支的冷凝水加上可选地备用水，如果可能的话。

气体冷却部分：气体冷却部分的目的在于使水冷凝。气体冷却部分并非特别设计来吸收溶剂。气体冷却部分被操作时，将冷却水作为冷却流体，其可能含有微量的溶剂，烟气被冷却，由此冷凝水来最少化所需要的备用水。气体冷却部分在“泵循环回流”模式下被操作，即冷却水被收集到气体冷却部分下方的收集器，并被提取循环到热交换器来使流体冷却到所需温度。冷却流体以固定速率被供应给气体冷却部分顶部。提取的冷却流体中的一部分被分流并且在洗涤部分中使用。分流的冷却流体量与冷却部分中形成冷凝物的量相同。

洗涤和冷却结合的部分：洗涤和冷却结合的部分目的在于使水冷凝，并且脱除溶剂。此部分中工作的冷却流体主要包含水和溶剂。如果可能的话，备用水可以被供给到此部分。烟气被冷却，以及水被冷凝来最少化所需备用水。溶剂中较大一部分也被吸收，因此冷凝水含有了溶剂。洗涤和冷却结合的部分在“泵循环回流”模式下操作，即冷却流体被收集到在洗涤和冷却结合的部分下方的收集器中，被提取循环到热交换机来将流体冷却到所需温度。冷却流体以固定的速率被循环到洗涤和冷却结合的部分顶部。提取的冷却流体被分流，并且能够被供给到或者二氧化碳吸收部分，或者第二洗涤和冷却结合的部分，或者洗涤部分。分流的冷却流体量与冷却部分中形成的冷凝物的量相同。

发明概述

本发明涉及实施吸收二氧化碳的设备和方法，并且通过使用选择性的二氧化碳吸收部分的传输设备以及采用特定的吸收器构型来减少气溶胶形成的风险。

本发明的一个方面涉及一种以降低的气溶胶形成风险在吸收设备中执行从包含二氧化碳的流的二氧化碳吸收的方法，其中吸收设备包含下列部分，按设备容器的从底部到顶部的顺序列出：

至少一个二氧化碳吸收部分；

“一次通过”洗涤部分；

冷却部分；

其中没有液体分离器位于二氧化碳吸收部分与洗涤部分之间，

并且其中所述方法包括下列步骤：

（i）使包含二氧化碳的气流经过二氧化碳吸收部分，从而通过使用溶剂吸收二氧化碳，来形成包含溶剂和二氧化碳含量减少的净化的气流，

（ii）使净化的气流经过“一次通过”洗涤部分，其利用来自“一次通过”洗涤部分上方的冷却部分的冷凝水操作并且可选择地利用备用水操作，来形成溶剂含量减少的净化的且洗涤过的气流，

（iii）将净化的且洗涤过的气流供给进入冷却部分来冷却净化的且洗涤过的气流，并且使水冷凝来形成水冷凝物，

（iv）从冷却部分抽取水冷凝物，

（v）循环（泵循环回流）一部分抽取的水冷凝物，使其回到冷却部分，

（vi）将抽取的水冷凝物的剩余部分供给进入洗涤部分，

并且其中在步骤（iv）中从冷却部分抽取的水冷凝物的全部或者仅循环部分被冷却。

在本发明方法的优选实施例中，没有液体收集器位于二氧化碳吸收部分和洗涤部分之间。在该方法的另一个优选实施例中，由所述方法产生的冷却的、净化的且洗涤过的气流包含气溶胶微滴，其中气溶胶微滴实质上没有溶剂，并且主要由水组成。

在另外一个该方法的优选实施例中，二氧化碳吸收部分具有选择性质量传输设备，其特征在于较低的蒸汽侧热量和质量传输。在特定地优选实施例中，特征在于较低的蒸汽侧热量和质量传输的质量传输设备为选自下列的结构封装：

（a）包含波纹板的结构封装，波纹板带有与柱轴所成的波纹角小于30度，优选地小于25度，

或者

（b）结构封装，其具有带有第一波纹的第一层，带有第二波纹的第二层，由第一波纹和第二波纹形成的多个开放通道，其中通道包括第一波纹波谷，第一波纹波峰和第二波纹波峰，其中第一波纹波峰和第二波纹波峰界定第一波纹波谷，其中第一和第二波纹波峰带有第一顶点和第二顶点，其中凸起或凹陷沿着第一顶点的方向延伸，其中如果是凸起，则凸起的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔大，并且其中如果是凹陷，则凹陷的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔小。

在另外该方法的优选实施例中，溶剂为胺、氨基酸或者与二氧化碳反应的挥发性化合物的水溶液。

本发明的另一方面是结构封装作为用于吸收二氧化碳的设备中的二氧化碳吸收部分的部件的使用，其中结构封装选自下列：

（a）包含波纹板的结构封装，波纹板带有与柱轴所成的波纹角小于30度，优选地小于25度，

或者

（b）结构封装，其具有带有第一波纹的第一层，带有第二波纹的第二层，由第一波纹和第二波纹形成的多个开放通道，其中通道包括第一波纹波谷，第一波纹波峰和第二波纹波峰，其中第一波纹波峰和第二波纹波峰界定第一波纹波谷，其中第一和第二波纹波峰带有第一顶点和第二顶点，其中凸起或凹陷沿着第一顶点的方向延伸，其中如果是凸起，则凸起的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔大，并且其中如果是凹陷，则凹陷的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔小，其特征在于用途是减小二氧化碳吸收部分的顶部区域中的气溶胶形成的风险。

在使用结构封装的优选实施例中，所述使用额外地增加了在二氧化碳吸收部分的底部区域中的最大二氧化碳装载。

本发明的另外一方面在于吸收设备的使用，所述吸收设备包含下列部分，按设备容器的从底部到顶部的顺序列出：

至少一个二氧化碳吸收部分；

洗涤部分；

冷却部分；

其特征在于没有液体分离器位于二氧化碳吸收部分与洗涤部分之间，并且其中用途是避免溶剂与水的过饱和以及气溶胶形成的风险。

在使用吸收设备的优选实施例中，二氧化碳吸收部分具有选择性质量传输设备，其特征在于较低的蒸汽侧热量和质量传输。在特定的优选实施例中，特征在于较低的蒸汽侧热量和质量传输的质量传输设备为结构封装，其中所述结构封装选自下列：

（a）包含波纹板的结构封装，波纹板带有与柱轴所成的波纹角小于30度，优选地小于25度，

或者

（b）结构封装，其具有带有第一波纹的第一层，带有第二波纹的第二层，由第一波纹和第二波纹形成的多个开放通道，其中通道包括第一波纹波谷，第一波纹波峰和第二波纹波峰，其中第一波纹波峰和第二波纹波峰界定第一波纹波谷，其中第一和第二波纹波峰带有第一顶点和第二顶点，其中凸起或凹陷沿着第一顶点的方向延伸，其中如果是凸起，则凸起的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔大，并且其中如果是凹陷，则凹陷的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔小。

发明详述

从含有二氧化碳的气流中吸收二氧化碳的吸收设备包括带有吸收部分的容器，该部分在容器底端和容器顶端之间置有封装元件。该容器的主轴从容器底端延伸到容器顶端，还包括将含有二氧化碳的气流输送到容器底端的入口和位于顶端的用于排放净化的气流的出口，在封装元件上方用于添加稀溶剂的溶剂入口，以及位于封装元件下方某处的用于从容器中排放浓溶剂的溶剂出口。封装元件被布置为由板构成的多个层，其中至少一些板带有波纹，而且波纹带有的波峰形成顶峰，波纹波谷形成低谷，分别的波纹顶峰与低谷与吸收设备的主轴形成的角度至少在封装板高度的一部分上小于30度。优选地是波纹与吸收设备主轴的夹角不超过25度，尤其合适地是至少在封装板高度的一部分上不超过20度。该高度部分较合适地至少为封装板高度的5%，更合适地是至少为封装板高度的10%，最合适地是至少为封装板高度的15%。此部分被置于板的顶端或者顶端附近，这是由于前述的封装板顶端附近的温度差。

多个层可以包括至少第一层和第二层，其中第一层为带有第一波纹的第一板，第一波纹与主轴的波纹角大于0度，而且第二层与第一层呈交叉布置。

依照实施例，吸收设备的封装元件包含第一部分和第二部分，第一部分位于第二部分之下，并且第一与第二部分均包含多层。第一部分包含多个带有第一波纹角的第一部分层，第二部分包含多个带有第二波纹角的第二部分层，并且第一波纹角与第二波纹角不相同。有利地是，在此状况下第一波纹角比第二波纹角大。

有利地是多个层包含至少第一层和第二层，而第一层为带有第一波纹的第一板，第一波纹包含与主轴的0度波纹角，并且其中第二层包含与主轴呈0度的角，而且/或者第一层或者第二层的至少一个包含多个凸起。

依照吸收设备的任意实施例，运用的溶剂至少是水溶液或者是包含挥发性化合物的溶剂中的一种。

依据实施例，吸收设备包含位于顶端和吸收部分之间的容器中布置的洗涤部分。吸收部分顶部的洗涤部分在此状况下包含封装元件，并且水/液体入口被布置在封装元件顶部，分配元件被布置在入口和封装元件之间。而且冷却部分能够被置于洗涤部分和顶端之间。

依照实施例，从含有二氧化碳的气流中吸收二氧化碳的吸收设备包括带有吸收部分的容器，该部分在容器底端和容器顶端之间置有封装元件。该容器的主轴从容器底端延伸到容器顶端，还包括将含有二氧化碳的气流输送到容器底端的入口和位于顶端的用于排放净化的气流的出口，在封装元件上方用于添加稀溶剂的溶剂入口，以及位于封装元件下方某处的用于从容器中排放浓溶剂的溶剂出口。封装元件被布置为由板构成的多个层，其中至少一些板带有波纹，而且波纹带有的波峰形成顶峰，波纹波谷形成低谷，分别的波纹顶峰与低谷与吸收设备的主轴形成的角度至少在封装板高度的一部分以及具有凹陷或凸起的至少一个的封装层的至少每个第二个上不大于50度。根据有利的变体，波纹角是不变的。优选地是波纹与吸收设备主轴的夹角不超过25度，尤其合适地是至少在封装板高度的一部分上不超过20度。该高度部分较合适地至少为封装板高度的5%，更合适地是至少为封装板高度的10%，最合适地是至少为封装板高度的15%。此部分被置于板的顶端或者顶端附近，这是由于前述的封装板顶端附近的温度差。

此外，本发明涉及在吸收设备中从含有二氧化碳的气流中吸收二氧化碳的方法，所述吸收设备包括带有吸收部分的容器，该部分在容器底端和容器顶端之间置有封装元件。该容器的主轴从容器底端延伸到容器顶端，还包括将含有二氧化碳的气流输送到容器底端的入口和位于顶端的用于排放净化的气流的出口，在封装元件上方用于添加稀溶剂的溶剂入口，以及位于封装元件下方某处的用于从容器中排放浓溶剂的溶剂出口，其步骤包括将含有二氧化碳的气流输送到底端的入口，输送位于封装元件顶部的稀溶剂，并将稀溶剂分配到封装元件上，从包含二氧化碳的气流中吸收二氧化碳到溶剂中，从吸收部分中释放低二氧化碳含量的气流。其中封装元件被布置为由板构成的多个层，其中至少一些板带有波纹，波纹带有的波峰形成顶峰，波纹波谷形成低谷，分别的波纹顶峰与低谷与吸收设备的主轴形成的角度至少在封装板高度的一部分上小于30度，或者与吸收设备主轴的角度满足较小的空隙气体速度，当与进入封装元件的包含二氧化碳的气流或者离开封装元件的低二氧化碳含量的气流的较大的气体速度相比较时。该高度部分较合适地至少为封装板高度的5%，更合适地是至少为封装板高度的10%，最合适地是至少为封装板高度的15%。此部分被置于板的顶端或者顶端附近，这是由于前述的封装板顶端附近的温度差。

依照该吸收设备的有利的构型，低二氧化碳含量的气流在洗涤部分溶剂中得到净化，该溶剂被输送以低二氧化碳含量的气流。其中洗涤部分包含封装元件，其中洗涤液体，具体来说水被输送到封装元件顶部的容器中，洗涤液体被传送到封装元件上，其中洗涤液体以与低二氧化碳含量的气流相反的气流方向前进，包含低二氧化碳含量的气流的溶剂在洗涤液体通过封装元件期间被其吸收，净化的且洗涤过的气体离开洗涤部分。

洗涤部分之后可以是被置于洗涤部分上方的冷却部分，而且净化的且洗涤过的气体的冷却通过直接将其输送到封装元件上方，冷却流体以与净化的且洗涤过的气体相反的气流方向通过，从而使得净化的且洗涤过的气体在离开吸收设备之前被冷却。

冷却流体在闭环中被充分有利地导向，并且部分冷凝的液体被分支输送到洗涤部分中。输送到洗涤部分中的冷却流体形成了洗涤液体，其在洗涤部分中装载溶剂，并被循环到吸收部分。

因此，在二氧化碳吸收部分中采用的传输设备被选择来优化二氧化碳吸收来减少压降以及减少过饱和度，其由质量传输设备实现，其特征在于较低的蒸汽侧的热量和质量传输，也将被称作为“选择性”封装。较低的蒸汽侧的热量和质量传输但是仍较好的液体侧的质量传输特性的质量传输设备显示出以下两点优势（a）在二氧化碳吸收部分顶部减少气溶胶形成的风险（b）在二氧化碳吸收部分底部增加最大二氧化碳装载。

图6图示性地展示了常规封装元件中气体和液体之间的质量传输和焓传输，图7为依照本发明的选择性的封装元件。通常来说，质量传输和焓的传输意味着热量或者成分从气相变为液相，或者反之亦然，因此能够归结于流量或者热通量。在此运动过程中，热量或者成分遭遇气相和液相之间的穿越相态膨胀到边界的阻力。由于焓传输和质量传输引起的通量和阻力在图6和图7中示出，使得根据图6的常规的封装元件和根据图7的选择性的封装可以对各自的量进行比较。各自的通量的量级因而概略地与各自箭头长度成正比。图6和图7中相应的通量编号相同。因此图6和图7显示出归因于显热传输的热通量81，归因于潜热传输的热通量，因此的溶剂的质量传输82，归因于水的潜热传输的热通量83，归因于二氧化碳潜热传输的热通量84，溶剂的质量传输通量85，水的质量传输通量86和二氧化碳的质量传输通量87。而且图6和图7示出液体侧阻力由液体侧的流动80代表，气体侧阻力由气体侧的流动90代表，显热传输由91，92表示，溶剂潜热传输93，94，水的潜热传输95，96，二氧化碳潜热传输97，98，溶剂的质量传输99，100，水的质量传输101，102，二氧化碳的质量传输103，104。

图7显示出与现有技术相比较，除了二氧化碳的通量，所有通量都减少了。图6与图7中二氧化碳的通量必须相同，因为这些量由液体侧控制。气相中的阻力增加了，这是由于选择性封装的焓传输和质量传输。其影响使得被传送到液相的水和溶剂的量将减少，这是由于各自的气体侧阻力与常规封装相比要高，因此溶剂和水的潜热传输和溶剂和水的质量传输在“选择性封装”的气相中更低。换言之，气体侧阻力94，96，和100，102限制了到液相的通量。只有对于二氧化碳，液相中的阻力比气相中要高，因此常规的封装元件和依照本发明的封装元件的二氧化碳的质量和能量传输并无差异。

因此选择性封装的使用并未给初始目的，即二氧化碳吸收带来任何不便。然而对潜热传输和质量传输的气体侧阻力的增加使得溶剂和水的通量将被降低。其意味着离开顶部的气相的温度会更高。

对显热传输的阻力的增加使得根据图2所示的温度曲线转变为更高的温度，其对避免过饱和的目的是有利的。

当使用选择性封装时，净化的气流离开二氧化碳吸收部分时焓更高，这是归因于减少的蒸汽侧热量和质量传输。此例中所述焓指净化的气流中所含的特定的能量。在二氧化碳吸收中离开的烟气流的焓，相比采用常规的热量和质量传输设备的气流而言，由于升高的温度而比较高，其也通常被称作显热。不仅是离开的净化的气体温度更高，净化气体中水和溶剂的含量也升高了，因此焓进一步增加。焓的改变由于浓度的改变，从而指质量传输，通常被称作潜热的改变。温度的升高也被称作显热，以及水含量的增加，因此潜热使得离开二氧化碳吸收部分在最顶部的气流的焓显著更高。由于离开二氧化碳吸收部分最顶部的烟气温度更高，过饱和度降低，因此气溶胶形成的风险也被减小。

由于离开的净化的气流中焓的增加，离开二氧化碳吸收部分最底部的液体的焓减小，而且依据焓的平衡所得到的液体温度降低。底部降低的液体温度是有利的，因为这是碳捕获与封存（CCS）吸收器的典型特征，这些单元被设计成“富端收缩”操作。这意味着溶剂将尽可能多地装载二氧化碳，使得接近热力学平衡。

在靠近二氧化碳吸收部分最底部的地方几乎达到热力学平衡。当温度被降低时，热力学平衡被转换到更高的二氧化碳装载量，因此可能的二氧化碳吸收量随着给定的溶剂流量而增加。

气体侧较低的质量传输导致离开二氧化碳吸收部分的气体温度升高的原因如下：焓传输的速率（通常也称作通量），因此与温度变化相关的显热以及与浓度变化相关的潜热主要由蒸汽侧控制，而二氧化碳吸收速率由液体侧控制。因此，保持液体侧质量传输速率和减少蒸汽侧热量和质量传输速率引起所述情况：二氧化碳吸收部分中气溶胶形成的风险减小。

如上所述，其为被设计成“富端收缩”的后燃二氧化碳吸收器的典型特征。由于此类设计以及气体入口条件，柱体中的温度曲线从底部到顶部升高。温度升高主要由于释放的吸收热量和反应热量。由于输送到二氧化碳吸收部分最顶部的稀溶剂温度低，通常约为30℃-45℃，气流在二氧化碳吸收部分顶端接近稀溶剂入口处被冷却。其使得低二氧化碳含量的气流温度骤降以及水和溶剂发生冷凝。归因于温度变化的显热传输（焓传输）由蒸汽侧控制，常规封装元件非常有效。归因于浓度变化的潜热传输也主要由蒸汽侧控制，但是取决于传输的成分，蒸汽侧质量传输能够比显热传输慢，并且对每个成分不同。此情况在图6和7中示出。特别地，高分子量的成分，例如通常存在的溶剂，由于较低的扩散率显示出减少的质量传输通量。如果显热传输比潜热传输快，即使二者主要由蒸汽侧控制，气相变得过饱和或者欠冷却无法避免。这对二氧化碳吸收器中使用的存在相应的分压的溶剂也适用。只要气流是过饱和的，气溶胶形成变成潜在的。将形成过饱和气溶胶的程度无法预料，并且敏感地取决于分子的成核作用如何发生。但是在任何状况下都存在：过饱和程度越低，气溶胶形成风险越小。

由于选择性的封装的蒸汽侧热量和质量传输率减少，二氧化碳吸收部分最顶部的温度下降减少，因此过饱和度也降低：二氧化碳吸收部分顶部的气溶胶形成风险减小。

带有选择性地减少蒸汽侧质量传输特性的封装在例如EP2230011 A1， WO2010/106011 A1, WO2010/106119中公开。因此，此类的封装能够优选地被运用在二氧化碳吸收部分中。然而，含有波纹板的结构封装能够被改变来有意地通过减小波纹角来减少蒸汽侧质量传输。从主轴小于30度的波纹角，优选地小于25度，使得蒸汽侧热量和质量传输减少。此类封装类型没有被广泛采用归结于其在蒸汽相中较低的质量传输特性，其通常来说是不利的。降低的蒸汽侧质量和热量传输率的原因在于通过与柱轴成小于30度波纹角的封装可获得的空隙的气体速度减小。在封装之中的气体速度低于空隙的速度。如果封装是带有交叉布置波纹的类型，此类波纹形成交错的通道。气体沿着通道通过或者穿越通道。空隙的气体速度由两个结果确定：（a）由于封装和其液体停顿所在的体积的空隙组分。其对结构封装有微小影响，并且与波纹角无关。（b）被波纹角引起的气流方向。增加的波纹角（相对于柱轴）使得空隙的气体速度增加。

气体通过波纹通道引导，因此与常规的封装元件相比空隙的气体速度通过减小的波纹角变得较小。这引起气体湍流减小，其减少蒸汽侧热量和能量传输。而减少的蒸汽侧热量和质量传输通常不是有利的，对于本发明的目的来说它是有利的效果。

随机封装元件无法被轻易改变来获得此类的选择性的特性，由于空隙的速度很可能与大量的随机封装元件形成的随机封装的单个的随机封装元件方向无关。盘在此类应用中并不常用，归因于此类解决办法固有的高压降。而且，蒸汽侧热量和质量传输无法轻易被简单的几何改变所影响。

本发明的优点在于减少了气流中过饱和度，并且因此减少了气溶胶形成风险，其会引起溶剂以液体形式排放。气溶胶形成可能会导致过高的溶剂排放：如果气溶胶形成，需要花费额外的精力来消除它们。本发明旨在通过使用选择性的封装来减小过饱和度以及使用包含选择性封装的特定吸收设备构型来避免气溶胶形成。

本发明的另一个优点在于增加富溶剂中二氧化碳装载量的可能性，其使得整个过程在能量方面得到优化，因此整个能量消耗的最小化是此应用领域所有过程的关键。通过使用不同的液体和气体质量传输特性的质量传输设备可以达到此目的，因此被称作选择性的质量传输设备，其使得离开二氧化碳吸收部分的气流的气体焓更高。由于二氧化碳吸收引起的焓增加是保持恒定的，并且所有输送流的焓也是保持恒定的，所以离开二氧化碳吸收部分底部的液体流的焓减少，即导致底部液体温度降低。

本发明的另一个优点在于最小化气态的溶剂排放到大气中。目前，溶剂排放通过使用洗涤和冷却结合的部分被减到最少。洗涤和冷却结合的部分包括置于吸收柱体里的封装元件。二氧化碳被消耗尽的气流以与洗涤水相反的流动方向通过封装元件。冷却的水被循环或者被抽到周围，因此通常会用“泵循环回流”来形容此操作。单一泵循环并未达到非常低的溶剂浓度。为此，多个串行的泵循环能够被运用，例如在US2003/0045756公开的方法。对于每个冷却部分来说都需要下列元件：排水盘，泵，热交换机，管道和控制设备。

所提出的吸收设备包含下列部分以从容器底部到顶部顺序列出：至少一个二氧化碳吸收部分，洗涤部分，然后是冷却部分，构型与WO2011/087972中公开的类似。

所提出的柱体构型的主要优点如下，即对大气的低溶剂排放，以及在洗涤部分和冷却部分中减少的气溶胶形成的风险。另外，在二氧化碳吸收部分与洗涤部分之间不需要液体分离器。

在含有二氧化碳的气流，如烟气，通过二氧化碳吸收部分后，其首先进入洗涤部分，即所述的“一次通过”部分，其采用来自洗涤部分上方的冷却部分的冷凝水以及如果可用的话可选择采用备用水来操作。此输送的水具有非常低的溶剂浓度，因此使得溶剂在洗涤部分中几乎可以完全从气流中清除。来自洗涤部分的底部的水流富含溶剂，并且能够被输送到下方的二氧化碳吸收部分。

离开洗涤部分的净化的且洗涤过的气流的溶剂浓度低，并且被输送进入冷却部分来冷却气流以及使水冷却。此部分被要求最小化对备用水的需求。此部分中形成的冷凝物被抽取并且输送到洗涤部分使用。此冷凝物溶剂浓度非常低。

所提出的吸收设备的构型可以实施对溶剂的吸收的方法，以一定的速率将水输送到洗涤部分，使得与现有技术相比获得较好的质量传输设备的效率，其中洗涤部分位于只使用备用水的冷却部分上方，如WO2011/087972中所述现有技术。更好的效率归功于增加的水输送率，提高了封装的润湿性。增加的水输送率还允许在更高温度下从气流中吸收溶剂，不需要面临热力学限制，如此，冷凝物的使用可以获得更多的水量。气流中溶剂浓度还是能够在洗涤部分中被减少到所期望的浓度，因为由于冷凝物的使用使可用水的量增加了。

气流能够含有气体从封装内的液体或者从液体分配器中附带出的液体。此类附带的液体并不是由于气溶胶形成，而是冷凝，但是归因于气相和液相之间的摩擦力。此类附带的液体与直径大于20微米的微滴形成相对大的微滴。此类尺寸的微滴能够通过合适的设备例如液体分离器来清除。

由于所提出的部分构型，来自二氧化碳吸收部分的任何此类通过气体附带的液体并不是关键，因为其给随后的置于上方的洗涤部分带来很小影响，因此液体分离器的安装能够被避免如现有技术文件US2003/0045756中所要求的。液体分离器在现有技术中使用洗涤和冷却结合的部分是有利的，其原因如下：封装元件作为微滴分离器起作用。因此，气体附带的液体进入洗涤和冷却结合的部分将会在洗涤和冷却结合的部分的封装元件中分离，并且将与冷却的流体混合。来自吸收部分的附带的液体含有高溶剂浓度，因此冷却液体中的浓度会增加。由于冷却液体将会被循环到洗涤和冷却结合的部分顶部，高浓度溶剂是不利的，并且此部分无法再有效地从脱碳气体中清除溶剂，这是此部分的目标之一。采用所提出的柱体构型，洗涤部分采用“一次通过”模式。同样通过此种构型，被气体附带的液体会被清除。其将主要在洗涤部分底部发生。因为底部液体不被循环到部分顶部，则其对洗涤部分上方部分的溶剂吸收没有影响，效率没有受到损害。因此，在吸收部分和洗涤部分之间不需要液体分离器。

来自二氧化碳吸收部分的气流不被过快地冷却很重要，否则当使用常规柱体构型时气溶胶形成的风险会增加，根据US2003/0045756所述，即当带有低二氧化碳浓度的气体被直接输送到冷却部分时。气溶胶形成风险增加的原因在于离开二氧化碳吸收部分的烟气溶剂浓度较高，其归因于当使用选择性的封装时烟气温度会升高。而上述提出的柱体构型帮助避免在洗涤部分中形成气溶胶的风险。原因如下：洗涤部分采用低液体质量流量操作，即来自冷却部分和可选择地备用水与气体流量相比较低。因此，洗涤部分内部温度曲线主要由气体温度决定，而且气体温度在通过整个部分时几乎保持不变。在此洗涤部分中，气流中溶剂浓度能够被减少到所期望的水平，并且水的露点将不会显著改变。因此避免了溶剂和水的过饱和，并且因而气溶胶形成风险减小。

离开洗涤部分的暖气流进入冷却部分，在此处气流被冷却，水被冷凝。气流与水变成过饱和无法避免。然而，气溶胶形成，其实质上不含溶剂，主要包含水。由于水的分子量低，气相中水的质量传输相对较高，而且相比接近饱和度的溶剂而言过饱和度较低。

参照示例性实施例的附图在下文中更详细地描述本发明：

图1图示根据本发明的第一实施例的吸收设备，

图2图示吸收部分的温度曲线，

图3图示包括相互交叉布置的两层的封装元件的一部分，

图4图示包括相互交叉布置的两层的封装元件的一部分，

图5图示包括互相相邻布置的三层的封装元件的一部分，

图6示意性地表现位于二氧化碳吸收部分顶部的常规的吸收封装的阻力和通量，

图7示意性地表现位于二氧化碳吸收部分顶部的选择性的吸收封装的阻力和通量。

示意性地图示出根据图1的吸收设备的剖面图。吸收设备包含可为二氧化碳吸收部分选择性地减少蒸汽侧质量传输效率的传输设备。为了从含有二氧化碳的气流2中吸收二氧化碳的吸收设备1包括容器10。气流2能够达到35℃直到包括70℃的温度。气流具有典型地4-15%的二氧化碳的含量，其百分比为摩尔百分比。该容器包含二氧化碳吸收部分6，其包含至少部分使用选择性封装的封装元件16，其被置于容器1的底端11与容器10的顶端12之间。容器10的主轴13从容器10的底端11延伸至容器10的顶端12处。另外还置有供输送包含二氧化碳的气流2至容器10位于底端11的入口22和供排放净化的气流3位于顶端12的出口23。供添加稀溶剂4的溶剂入口24位于封装元件16上方，并且从容器10供排放富溶剂5的溶剂出口25位于封装元件16的下方某处。供给的溶剂优选地处于30℃到45℃的温度之间。封装元件被布置有由板构成的多个层，其中至少某些板带有波纹。波纹34，44的波纹波峰形成顶峰，波纹波谷形成低谷，分别的波纹34，44的顶峰与低谷与主轴形成小于30度的角。封装的高度有利地处于10米到30米之间。此类封装元件的示例在图3，图4或者图5中示出。多个层可以包含至少第一层32和第二层33，其中第一层是带有第一波纹34的第一板。第二层33是带有第二波纹44的第二板。第一波纹34与主轴13所成波纹角大于0度，并且如图3或图4所示第二层与第一层交叉布置。波纹角由附图标记38指代。

稀溶剂4能够由稀溶剂分配元件42分配到封装元件16上。在实施例中，封装元件16能够带有如图3，4或5所示的波纹。

根据图1所示洗涤部分7被置于容器10中顶端12和吸收部分6之间。洗涤部分7包含封装元件17，而且水/液体入口49布置在封装元件17顶部。封装元件17的高度通常不大于6米，特别地处于2到6米之间。另外分配器元件41被置于入口49和封装元件17之间。在封装元件17之下不需要液体收集元件，来自封装元件17的液体滴到二氧化碳吸收部分6中。洗涤部分7的封装元件17被设定来提供有效的溶剂从低二氧化碳含量的气流30到洗涤液体20的质量传输。洗涤液体20由洗涤液体分配元件41分配到封装元件17上。在洗涤液体沿着封装元件17的板通过期间，洗涤液体20富含来自吸收部分6的低二氧化碳含量的气流30附带的溶剂。除了在入口24处添加的稀溶剂，富含溶剂的洗涤液体21能够在吸收部分中用来吸收二氧化碳。常规结构的封装元件能够被使用，例如在EP0858366 B1中公开的封装元件。

在洗涤部分7上方，冷却部分8被置于容器中。冷却部分含有封装元件18。冷却部分的封装元件18有利地采用EP0858366 B1中公开的形状。冷却流体14通过冷却流体入口26进入容器，并且被冷却流体分配器元件36分配到封装元件18上。净化的基本不含有溶剂的气流31以与冷却流体14相反的流动方向进入封装元件。来自气流的冷凝水被作为冷却流体使用。冷凝流体14和额外的来自烟气的冷凝水在位于封装元件18下方的冷却流体收集元件37中被收集。收集元件被布置有带有贮存器，其上为收集的冷却流体预置了出口27。冷却流体被通过冷却流体泵29抽取到热交换器40中。冷却流体从热交换器40被送回到冷却流体入口26处。由于实际上进入冷却部分8的烟气中的水是冷凝的，因此抽取的冷却流体的一部分被分流进入洗涤部分7作为洗涤液体使用，所以循环的冷却流体流量保持恒定。冷却的流体能够从热交换器40之前的暖的冷却流体或者从热交换器之后的冷却的冷却流体处开始分流。

吸收设备的操作压力接近大气压力，优选地不超过1.2bar。

图2图示吸收部分的温度曲线的图解，其显示出了在封装高度上的温度分布。图2仅仅是示意性的表示，因此没有附上温度值，但是在图中x轴上简要说明。同样没有给封装高度附上任何值，但在图中y轴上简要说明。封装元件的下端被标为部分底部55。封装元件的上端被标为部分顶部56。连续的粗线51显示使用选择封装元件的溶剂的温度，点状的粗线52显示使用选择封装元件的气流温度。细实线61显示使用常规封装元件时溶剂的温度，细点线62显示使用常规封装元件时气流的温度。图2因此显示出在几乎整个封装元件的高度上选择性封装元件的溶剂和气体的温度大部分相对较低。这种在较低温度小操作吸收过程的可能性的好处在于可能增加溶剂中二氧化碳的装载量。因此，除了减少能量消耗的好处有助于提高整个过程的经济外，其完全不形成气溶胶或者至少减少气溶胶的形成。

下列温度在图2中被指出：离开选择封装元件上端的液体温度72，包含二氧化碳的气体进入根据本发明的选择封装元件时的温度73，以及该气体离开选择封装时的温度74。为了比较，离开常规封装元件的液体温度76，包含二氧化碳的气体进入常规封装元件时的温度77，其与使用选择封装元件的温度相同，以及离开常规封装元件的气体温度78都在图中被指出。

进入常规封装的液体温度75与进入选择封装的液体温度71相同。

根据优选实施例的吸收部分6的结构封装元件在图3中示出，其含有形如板状的并带有波浪般的波纹的层32、33，其形成多个开放通道并且从封装上面延伸至封装的底面，其中通道包含第一波波谷，第一波波峰和第二波波峰。第一波波峰和第二波波峰限定了第一波波谷的范围。第一波波峰和第二波波峰形成第一顶峰和第二顶峰。此类结构有利地在封装元件的每层板的整个表面上周期性地重复。

有利的波纹角38不超过30度。如果封装元件的层以一定的、不超过30度的波纹角布置，则空隙的速度能被减弱。图3的两个封装层仅仅是作为示例示出，无需另外说明，其存在大量的封装层。必要的是，封装层需延伸穿过容器10的整个横截面。

图4显示了封装元件的另一可选构型，其可方便地用作吸收部分6的封装元件16。该封装元件选择性地减少了蒸汽侧质量传输特性，如EP2230011 A1, WO2010/106011A1, WO2010/106119中所公开的，这些申请通过引用全文并入。

依照图4的封装元件包含带有第一波纹34的第一层32和带有第二波纹44的第二层33。多个开放通道由第一波纹和第二波纹形成。通道包括第一波纹波谷43，第一波纹波峰45和第二波纹波峰47，其中第一波纹波峰45和第二波纹波峰47限定了第一波纹波谷43的范围。第一和第二波纹波峰带有第一顶点46和第二顶点48。凸起50或凹陷60能够沿着第一顶点46的方向延伸。如果是凸起，则从波纹波谷43的谷底起，凸起50上至少有一点的法线间隔比从波纹波峰45的第一谷底起的第一顶点46的法线间隔要大。如果是凹陷60，则从波纹波谷43的谷底起，凹陷60上至少有一点的法线间隔比从波纹波峰45的第一谷底起的第一顶点46的法线间隔要小。

封装元件16能够既不带有凹陷，也不带有凸起。此种状况下，波纹角小于30度。或者其能够带有凹陷60或凸起50中的一种，或者带有凹陷60以及凸起50。此种状况下，波纹角也能够大于30度，从而可能会在直到70度的范围之内。由于至少存在于每个第二封装层上的凹陷或凸起，与封装层不带任何凹陷或凸起的封装元件相比，封装的压降被减少了。

第二层33带有第二波纹44。第一层32和第二层33布置使得第一层32的通道穿过第二层33的通道。第一层32通过凸起50（如果存在），或者通过穿过第二层33波纹波谷的第一层32的波纹波峰，与第二层33触摸接触。或者如果存在凹陷，在每个凹陷60处触摸接触中断，也在图4中示出。每一层能够带有凸起或者凹陷的至少一个，或者仅仅多层的每个第一或每个第二层能够带有此类凸起或者凹陷的至少一个。

图5示出封装元件的一种变体，其与容器10的主轴成0度波纹角。此处仅说明与前图中封装元件的不同之处。此类封装元件的第一和第二层32、33被中间层65分开。第一和第二层带有齿形的第一和第二波纹33、34，但是它们可以均等地带有前述实施例所示的波形。为了增加质量传输，向上的含有二氧化碳的气流流动，或者低二氧化碳含量的气流、或者洗涤过的净化的气流由导流片元件66、67、68、69、70分配。因此气流与相应的沿着封装层表面向下的液体流之间的质量传输增加了。

导流片元件66、67、68、69、70能够被从层上切出，并且朝向封装层表面以一定角度偏转。

Claims (11)

1.一种以降低的气溶胶形成风险在吸收设备中执行从包含二氧化碳的流的二氧化碳吸收的方法，其中吸收设备包含下列部分，按设备容器的从底部到顶部的顺序列出：

至少一个二氧化碳吸收部分；

“一次通过”洗涤部分；

冷却部分；

其中没有液体分离器位于二氧化碳吸收部分与洗涤部分之间，

并且其中所述方法包括下列步骤：

（i）使包含二氧化碳的气流经过二氧化碳吸收部分，从而通过使用溶剂吸收二氧化碳，来形成包含溶剂和二氧化碳含量减少的净化的气流，

（ii）使净化的气流经过“一次通过”洗涤部分，其利用来自“一次通过”洗涤部分上方的冷却部分的冷凝水操作并且可选择地利用备用水操作，来形成溶剂含量减少的净化的且洗涤过的气流，

（iii）将净化的且洗涤过的气流供给进入冷却部分来冷却净化的且洗涤过的气流，并且使水冷凝来形成水冷凝物，

（iv）从冷却部分抽取水冷凝物，

（v）循环（泵循环回流）一部分抽取的水冷凝物，使其回到冷却部分，

（vi）将抽取的水冷凝物的剩余部分供给进入洗涤部分，

并且其中在步骤（iv）中从冷却部分抽取的水冷凝物的全部或者仅循环部分被冷却。

2.根据权利要求1所述的方法，其中没有液体收集器位于二氧化碳吸收部分和洗涤部分之间。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中由所述方法产生的冷却的、净化的且洗涤过的气流包含气溶胶微滴，其中气溶胶微滴实质上没有溶剂，并且主要由水组成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中二氧化碳吸收部分具有选择性质量传输设备，其特征在于较低的蒸汽侧热量和质量传输。

5.根据权利要求4所述的方法，其中特征在于较低的蒸汽侧热量和质量传输的质量传输设备为选自下列的结构封装：

（a）包含波纹板的结构封装，波纹板带有与柱轴所成的波纹角小于30度，优选地小于25度，

或者

（b）结构封装，其具有带有第一波纹的第一层，带有第二波纹的第二层，由第一波纹和第二波纹形成的多个开放通道，其中通道包括第一波纹波谷，第一波纹波峰和第二波纹波峰，其中第一波纹波峰和第二波纹波峰界定第一波纹波谷，其中第一和第二波纹波峰带有第一顶点和第二顶点，其中凸起或凹陷沿着第一顶点的方向延伸，其中如果是凸起，则凸起的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔大，并且其中如果是凹陷，则凹陷的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔小。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中溶剂为胺、氨基酸或者与二氧化碳反应的挥发性化合物的水溶液。

7.结构封装作为用于吸收二氧化碳的设备中的二氧化碳吸收部分的部件的使用，其中结构封装选自下列：

（a）包含波纹板的结构封装，波纹板带有与柱轴所成的波纹角小于30度，优选地小于25度，

或者

（b）结构封装，其具有带有第一波纹的第一层，带有第二波纹的第二层，由第一波纹和第二波纹形成的多个开放通道，其中通道包括第一波纹波谷，第一波纹波峰和第二波纹波峰，其中第一波纹波峰和第二波纹波峰界定第一波纹波谷，其中第一和第二波纹波峰带有第一顶点和第二顶点，其中凸起或凹陷沿着第一顶点的方向延伸，其中如果是凸起，则凸起的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔大，并且其中如果是凹陷，则凹陷的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔小，其特征在于用途是减小二氧化碳吸收部分的顶部区域中的气溶胶形成的风险。

8.根据权利要求7所述的使用，其中所述使用额外地增加了在二氧化碳吸收部分的底部区域中的最大二氧化碳装载。

9.吸收设备的使用，所述吸收设备包含下列部分，按设备容器的从底部到顶部的顺序列出：

至少一个二氧化碳吸收部分；

洗涤部分；

冷却部分；

其特征在于没有液体分离器位于二氧化碳吸收部分与洗涤部分之间，并且其中用途是避免溶剂与水的过饱和以及气溶胶形成的风险。

10.根据权利要求9所述的使用，其中二氧化碳吸收部分具有选择性质量传输设备，其特征在于较低的蒸汽侧热量和质量传输。

11.根据权利要求10所述的使用，其中特征在于较低的蒸汽侧热量和质量传输的质量传输设备为结构封装，其中所述结构封装选自下列：

（a）包含波纹板的结构封装，波纹板带有与柱轴所成的波纹角小于30度，优选地小于25度，

或者

（b）结构封装，其具有带有第一波纹的第一层，带有第二波纹的第二层，由第一波纹和第二波纹形成的多个开放通道，其中通道包括第一波纹波谷，第一波纹波峰和第二波纹波峰，其中第一波纹波峰和第二波纹波峰界定第一波纹波谷，其中第一和第二波纹波峰带有第一顶点和第二顶点，其中凸起或凹陷沿着第一顶点的方向延伸，其中如果是凸起，则凸起的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔大，并且其中如果是凹陷，则凹陷的至少一点离波纹波谷的谷底的法线间隔比第一顶点离波纹波峰的第一谷底的法线间隔小。