CN107008102A - 从燃烧气体中集成式分离二氧化碳气体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有气体分离(吸附性、吸收性、膜或其他适当的气体分离)的集成式燃料燃烧系统，从燃烧气体混合物中分离二氧化碳的一部分并将分离的二氧化碳循环到燃料燃烧器的摄入口用于燃烧。一种分离和循环二氧化碳的方法，包括：允许燃料气体进入一包括吸附材料的吸附气体分离系统；吸附二氧化碳的一部分；回收消耗了二氧化碳的一第一产品流，用于排放或使用；从所述解吸材料解吸二氧化碳并回收解吸的、富集二氧化碳的一第二产品流，用于封存或使用；允许一调节流体和/或解吸流体进入所述接触器并解吸二氧化碳的一第二部分，以回收一富集二氧化碳的调节流；循环所述富集二氧化碳的调节流的至少一部分到燃料燃烧器的一入口，以经过所述燃料燃烧器用于燃烧。

Description

从燃烧气体中集成式分离二氧化碳气体的系统和方法
本申请为国际申请日为2013年12月31日、申请号为201380068786.4、发明名称为“用于从燃烧气体中集成式分离二氧化碳气体的系统和方法”的专利申请的分案申请。
在先申请
本申请涉及申请日为2012年6月29日的、名称为“用于燃烧气体集成式吸附气体分离的系统和方法”的在先PCT申请PCT/CA2012/050451，其内容在此整体引作参考。本发明涉及在先提交的申请日为2011年8月26日的、名称为“利用热导性接触器结构吸附气体分离方法”的PCT申请PCT/CA2011/050521，其内容整体在此整体引作参考。本申请还涉及申请日为2010年2月26日的、名称为“平行通道式流体接触器结构”的PCT申请PCT/CA2010/000251，其内容整体在此也整体引作参考。
技术领域
本发明整体涉及从燃烧气体中集成式分离二氧化碳的方法和系统。具体来说，本发明涉及从燃烧气体中集成式分离二氧化碳并将已分离的燃烧气体循环到燃烧过程的方法以及实施该方法的系统。
背景技术
现有技术中，变温吸附方法用于多组分气体混合物的吸附分离。许多传统的变温吸附方法用于在吸附材料上优先吸附进料气体混合物中一个组分，以将其从其余进料气体混合物组分中分离，随后再生所述吸附材料，以解吸所吸附的组分并允许所述吸附材料的循环利用。
一种适于分离气体的工业方法包括燃烧方法，其中氧化剂和含碳燃料燃烧以产生机械能和副产物，例如热和燃烧过程的烟道气流。需要从燃烧过程中的烟道气中分离一种或多种气体组分，例如从化石燃料燃烧过程中的烟道气混合物中移除和/或封存二氧化碳。在这样的应用中，传统的变温吸附气体分离系统的额外能耗和低效率通常导致这样的变温吸附气体分离系统不理想地、低效地与化石燃料燃烧过程集成，导致不可接受的高投资、能量效率和/或气体分离效率的降低和运营成本。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种克服了现有技术的一些缺陷的、用于燃烧气体的集成式吸附气体分离方法。
在本发明的一个实施例中，提供一种集成式吸附气体分离方法，用于分离源自燃料燃烧器的燃烧气流的至少一部分，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述方法包括以下步骤：
(a)允许燃料流进入一燃料入口并允许氧化剂流进入所述燃料燃烧器的一氧化剂入口，以产生所述燃烧气流；
(b)允许所述燃烧气流进入至少一吸附气体分离系统，所述吸附气体分离系统带有多个吸附剂接触器，每一吸附剂接触器包括至少一用于吸附所述二氧化碳组分的吸附材料；
(c)允许所述燃烧气流进入至少一吸附剂接触器的一入口；
(d)在至少一所述吸附材料上吸附所述燃烧气流的所述二氧化碳组分的至少一部分；
(e)从至少一所述吸附剂接触器的一出口回收一第一产品流，所述第一产品流相对所述燃烧气流消耗了所述二氧化碳组分；
(f)解吸在至少一所述吸附剂接触器内的至少一所述吸附材料上吸附的所述二氧化碳组分的一第一部分；
(g)在至少一所述吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一第二产品流，所述第二产品流相对所述燃烧气流富集了所述二氧化碳组分；
(h)解吸吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分；
(i)在至少一所述吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一第三产品流，所述第三产品流包括所述二氧化碳组分的所述第二部分；和
(j)循环所述第三产品流的至少一部分到所述燃料燃烧器的氧化剂入口用于燃烧。
在所述集成式吸附气体分离方法的一个优选实施例中，除了解吸所述二氧化碳组分的一第二部分外，所述方法还包括允许一调节流进入至少一所述吸附剂接触器。
在本发明的另一个实施例中，提供一种集成式吸附气体分离系统，用于分离燃烧气流的至少一部分，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述系统包括：
(a)一原动机，其包括一氧化剂入口、一燃烧室和一废气出口，其在操作时产生所述燃烧气流；
(b)一辅助热交换器，其包括一流体连接的、辅助热交换导管，所述辅助热交换导管通过一流体连接的以接收一加热流体流的加热导管来接收和加热一解吸流体流；
(c)一吸附气体分离器，其包括至少一吸附剂接触器，所述接触器带有一入口和一出口并包括至少一用来吸附所述二氧化碳组分的吸附材料；
其中，至少一所述吸附剂接触器流体连接，将来自所述原动机的所述废气出口的所述燃烧气流接收到至少一所述吸附剂接触器的所述入口，并将所述二氧化碳组分的至少一部分吸附在至少一吸附材料上；和
其中，所述吸附剂接触器流体连接，从所述辅助热交换导管接收所述解吸流体流，以在至少一所述吸附材料上解吸所述二氧化碳组分的至少一部分，产生富集二氧化碳的产品流；和
其中，所述解吸流体流以高于焊接压力不超过约2巴(bar)的压力进料气流进入所述辅助热交换导管。
在本发明又一个实施例中，提供一种吸附气体分离方法，用于分离气流的至少一部分，其中，所述气流包括至少二氧化碳和水组分，所述方法包括以下步骤：
(a)允许所述气流进入一具有多个吸附剂接触器的吸附气体分离系统；
(b)允许所述气流进入至少一所述吸附剂接触器的一入口，所述吸附剂接触器具有至少一吸附材料，用以吸附所述二氧化碳组分；
(c)在所述至少一吸附材料吸附所述气流的所述二氧化碳组分的至少一部分；
(d)在至少一所述吸附剂接触器的一出口回收一第一产品流，所述第一产品流相对于所述气流消耗了所述二氧化碳组分；
(e)中止所述气流进入至少一具有至少一所述吸附材料的所述吸附剂接触器的所述入口；
(f)通过加热至少一所述吸附材料来解吸在所述吸附剂接触器内的至少一所述吸附材料上吸附的所述二氧化碳组分的一第一部分；
(g)在至少一所述吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一富集所述二氧化碳组分的一第二产品流；
(h)解吸吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分；和
(i)在至少一所述吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一包括所述二氧化碳组分的一第三产品流；
其中，步骤(b)至步骤(i)在至少一所述吸附剂接触器顺序进行。
在本发明又一个实施例中，提供一种集成式吸附气体分离方法，用于分离源自一集成式气体分离系统的燃料燃烧器的燃烧气流的至少一部分，所述集成式气体分离系统包括所述燃料燃烧器和一气体分离系统，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述方法包括以下步骤：
(a)允许燃料流进入一燃料入口并允许氧化剂流进入所述燃料燃烧器的一氧化剂入口，以产生所述燃烧气流；
(b)允许所述燃烧气流进入所述气体分离系统；
(c)在所述气体分离系统吸附所述燃烧气流的所述二氧化碳组分的至少一部分；
(d)在所述气体分离系统内回收一烟道气流，所述烟道气流相对所述燃烧气流消耗了所述二氧化碳组分；
(e)在所述气体分离系统内解吸所述二氧化碳组分的至少一第一部分；
(f)至少周期性允许氧化剂流进入所述气体分离系统，以形成混合的氧化剂流；和
(g)从所述气体分离系统至少周期性回收所述混合的氧化剂流，并至少周期性允许所述混合的氧化剂流的至少一部分进入所述燃料燃烧器的所述氧化剂入口；和
其中，在所述混合的氧化剂流中至少周期性回收基本上所有所述吸附的二氧化碳组分。
在本发明的又一实施例中，提供一种集成式吸附气体分离系统，用于分离燃烧气流的至少一部分，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述系统包括：
(a)一燃料燃烧器，其包括一燃料入口、一氧化剂入口和一废气出口，其在操作时产生所述燃烧气流；
(b)一气体分离系统，其包括一燃烧气体入口、一氧化剂入口、一烟道气出口、一混合气体出口和至少一吸附剂接触器，所述吸附剂接触器包括至少一吸附材料，所述气体分离系统操作时通过在至少一所述吸附材料上吸附所述二氧化碳组分的至少一部分，来将所述二氧化碳组分从所述燃烧气流中分离；
(c)一燃烧气体导管，其流体连接所述燃料燃烧器的所述废气出口和所述气体分离系统的所述燃烧气体入口；和
(d)一混合气体导管，其流体连接所述气体分离系统的所述混合气体出口和所述燃料燃烧器的所述氧化剂入口，用于从所述吸附气体分离系统中回收所述二氧化碳组分的基本上所有吸附部分。
附图说明
现在参考附图描述根据本发明示例性实施例的、用于燃烧气体的集成式吸附气体分离的系统和方法，附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的一个集成式吸附气体分离系统的示意图，其包括一燃气涡轮、一热回收蒸汽发生器(HRSG)、一蒸汽涡轮、一辅助热交换器、一燃烧气体冷却器、一吸附气体分离系统和一气体压缩系统。
图2示出了根据本发明另一个实施例的一个集成式吸附气体分离系统的示意图，其包括一燃气涡轮、一热回收蒸汽发生器(HRSG)、一蒸汽涡轮、一燃烧气体冷却器、一吸附气体分离系统、一气体压缩系统和一集成到所述HRSG的辅助热交换器。
图3示出了根据本发明一个实施例的、示例性的集成式二氧化碳气体分离系统在各种操作点的各种计算机模拟曲线，其根据本发明的一个实施例实施示例性集成式二氧化碳气体分离方法，其使用燃气涡轮，所述燃气涡轮采用天然气作为燃料、空气作为氧化剂并循环富集二氧化碳的气流到所述燃气涡轮。
图4示出了根据本发明一个实施例的、一个集成式吸附气体分离系统的一个示意图，其包括一燃料燃烧器和一气体分离系统，用于分离所述燃料燃烧器产生的燃烧气流的所述二氧化碳组分的至少一部分。
在整个附图中，类似的附图标记标明相应的部件。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，提供一种集成式二氧化碳气体分离方法，用于从燃料燃烧器中分离燃烧气流的至少一部分，其中所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水(包括水汽和/或蒸汽)组分。所述集成式二氧化碳气体分离方法可以包括但不限于一吸附方法(例如下面详述的利用吸附材料)、一化学吸收方法(例如利用基于胺类的溶剂)和/或一膜分离方法(例如利用分子筛或陶瓷膜)。而且，所述集成式二氧化碳气体分离方法可以包括允许源自燃料燃烧器的燃烧气流基本上全部进入一体分离装置，或者允许源自燃料燃烧器的燃烧气流的至少一部分进入一分离装置。应当理解，在此公开和详细描述的方法可以和任何适当的已知二氧化碳分离过程和/或方法、任何适当的已知二氧化碳分离装置或系统一起使用，不限于在此根据多个示例性实施例描述的示例性吸附气体分离方法，还包括例如使用其他的适当的非吸附式二氧化碳分离过程、方法、装置或系统。
在一个示例性实施例中，吸附气体分离方法可以包括一变温吸附方法(称作“TSA”)，其中解吸吸附在吸附材料上的一燃烧气体组分的至少一解吸步骤主要由加热所述吸附材料来驱动。在一个替代实施例中，替代的解吸机制可以单独使用，诸如用适当的冲洗流体来冲洗或置换冲洗，或者与解吸所述吸附组分的加热结合使用。或者，所述吸附气体分离方法可以包括一变压吸附方法(称作“PSA”)，其中，解吸吸附在选择性吸附二氧化碳的吸附材料上的一燃烧气体组分的至少一解吸步骤主要由包括所述吸附材料的所述吸附剂接触器的压力变化驱动。在一个替代实施例中，替代的解吸机制可以单独使用，诸如用适当的冲洗流体来冲洗或置换冲洗所述吸附材料，或者与解吸所述吸附的燃烧气体组分的压力变化结合使用。在又一个替代实施例中，所述吸附气体分离方法可以包括一分压变压吸附方法(称作“PPSA”)，其中，解吸吸附在吸附材料上的一燃烧气体组分的至少一解吸步骤主要由包括所述吸附材料的所述吸附剂接触器中的至少一吸附气体组分的分压或浓度的变化驱动。在又一个替代实施例中，替代的解吸机制可以单独使用，诸如用加热吸附材料或压力变化，或者与解吸所述吸附的燃烧气体组分的分压变化结合使用。
在一个根据本发明的实施例中，所述燃料燃烧器可以包括任何适当类型的、主要使用环境空气作为燃烧的氧化剂的燃料燃烧装置。在其他实施例中，替代的氧化剂可以用于所述燃料燃烧器，例如但不限于添加氧气的空气或者或者氧气浓度高于环境水平的空气、基本上氧气、消耗了氧气的空气、含有比环境空气更少氧气的气流和循环的燃烧气体。根据本发明的实施例，燃料反应物例如但不限于气体燃料、液体燃料和/或固体燃料可以用于在所述燃料燃烧器燃烧。在一个特定实施例中，所述燃料燃烧器可以包括下组至少一个：涡轮燃料燃烧器诸如燃气涡轮燃烧器、组合式燃气涡轮燃烧器、轻质烃燃烧器、液体燃料(例如燃油/煤油/柴油/汽油/喷气燃料和其他的液体燃料)燃烧器、燃煤燃烧器(包括固态、粉末的、汽化的或其他形式的燃煤燃烧器，例如燃煤发电厂)、生物质固态和/或液体燃料燃烧器、蒸汽发生器/锅炉燃烧器和余热加热燃烧器(process heater combustor)(例如用于冶炼厂和/或工业过程来热处理流体和/或气体)。
在一个实施例中，所述集成式吸附气体分离方法可以包括一允许燃料流进入一燃料入口并允许氧化剂流进入燃料燃烧器的氧化剂入口，以生成一燃烧气流。所述方法随后可以包括一吸附步骤，允许源自所述燃料燃烧器的、包括至少二氧化碳和水组分的所述燃烧气流的至少一部分作为进料混合物进入一吸附气体分离系统。所述燃烧气流可以允许进入所述吸附气体分离系统内的、具有至少一吸附材料的至少一吸附剂接触器的入口。所述方法随后可以包括在所述吸附材料上吸附所述二氧化碳组分的至少一部分。所述方法还可以包括从所述吸附气体分离系统的所述吸附剂接触器的一出口回收一第一产品流，所述第一产品流相对于所述进料混合物或燃烧气流消耗了所述二氧化碳组分。在一个实施例中，所述吸附步骤可以理想地导致所述燃烧气流的所述二氧化碳组分基本上全部被吸附在所述吸附气体分离系统中的所述吸附材料上，这样，从所述吸附剂接触器回收的所述第一产品流可以基本上不含二氧化碳。所述的从所述燃烧气流基本上全部移除二氧化碳是理想的，以允许所述第一产品流作为从所述吸附气体分离系统排放到环境中的烟道气基本上不含二氧化碳，从而减少所述燃料燃烧器操作的碳排放。在一个特定实施例中，所述第一产品气体可以理想地具有一二氧化碳浓度，该浓度低于环境中二氧化碳的浓度，例如低于环境中大致的二氧化碳浓度390ppm，这样，从吸附步骤中排放第一产品流的实际效果可以是从大气中净移除二氧化碳。
根据一个实施例，带有至少一吸附材料的适当的吸附剂接触器通常具有从燃烧气流吸附二氧化碳的有限的容量。所述吸附容量可以理想地通过解吸吸附在所述吸附材料上的二氧化碳和任何其他组分来循环恢复。通常，在一个这样实施例中，解吸吸附在所述吸附材料上的二氧化碳和/或任何其他组分理想地在到达所述吸附剂接触器的所述吸附容量之前进行。在一个特定实施例中，在解吸所述吸附材料时，取决于采用的解吸机制(例如但不限于加热、冲洗、变压、分压变压解吸机制)，理想的是减少或基本上中止所述燃烧气流进入或流动和/或流经所述吸附剂接触器，以例如减少所述解吸流体被所述燃烧气流稀释和/或减少所述吸附材料的热损耗。在一个特定实施例中，在一多接触器吸附气体分离系统中，所述吸附方法可以包括通过例如将所述燃烧气流改道远离一第一吸附剂接触器(在需要解吸时)而接到一多接触器吸附气体分离系统的一第二吸附剂接触器(用于吸附所述燃烧气流)。
在一个实施例中，所述集成式吸附气体分离方法可以包括一第一解吸步骤，所述第一解吸步骤包括加热一吸附剂接触器，例如通过允许适当的解吸流体或气流，例如但不限于蒸汽气流，进入所述吸附剂接触器，或者通过直接加热所述吸附剂接触器，例如通过电焦耳解热所述吸附剂接触器和/或所述吸附剂接触器内的吸附材料，以解吸所述吸附剂接触器内的所述吸附材料吸附的所述二氧化碳组分的一第一部分。如上所述，在一个实施例中，吸附的二氧化碳的所述解吸可以主要为热驱动，例如通过TSA方法，也可以包括一个或多个次级解吸机制，例如变压解吸、分压解吸和/或冲洗解吸。在一个特定实施例中，吸附的二氧化碳的所述解吸例如可以包括一第一解吸步骤和一第二解吸步骤，所述第一解吸步骤主要由加热驱动，所述第二解吸步骤主要由冲洗和或分压解吸机制驱动。在一个替代实施例中，吸附的二氧化碳的所述解吸例如可以包括一第一解吸步骤和一第二解吸步骤，所述第一解吸步骤主要由冲洗和/或分压解吸机制驱动，所述第二解吸步骤主要由加热驱动。在又一个替代实施例中，吸附的二氧化碳的所述解吸可以例如主要由变压和/或分压变压方法中一个或多个驱动，与TSA方法相结合或者替代TSA方法。在一个实施例中，所述集成式吸附气体分离方法可以包括在所述吸附剂接触器的入口或出口回收富集二氧化碳的第二产品流。在另一个实施例中，所述方法还可以例如包括回收一包括二氧化碳的第三产品流，其中所述第二产品流包括在第一解吸步骤解吸的二氧化碳，所述第三产品流包括在第二解吸步骤解吸的二氧化碳。
在一个优选实施例中，仅有一部分所述吸附的二氧化碳组分从吸附剂接触器的所述吸附材料中解吸并在所述第二产品流中回收，这样，至少一部分二氧化碳组分留在所述吸附剂接触器的所述吸附材料中。在一个实施例中，从所述第二产品流中回收的所述解吸的二氧化碳组分可以仅包括总的吸附的二氧化碳组分的约三分之一，在第一解吸步骤结束时留下吸附在所述吸附剂接触器的所述吸附材料上的二氧化碳组分的约三分之二。因此，在一个这样的实施例中，由于仅有一部分所吸附的二氧化碳组分在所述第一解吸步骤解吸，与解吸大部分或全部的所述吸附的二氧化碳组分的方法相比，所需的解吸热量可以理想地减少。在一个实施例中，蒸汽可以作为解吸流体来加热所述吸附材料，并例如通过加热和/或置换冲洗解吸机制来解吸二氧化碳组分的所述第一部分，因此，理想地需要用量显著减少的蒸汽，来从所述吸附剂接触器的所述吸附材料仅仅解吸所吸附的二氧化碳组分的一部分(例如约三分之一)。所述第二产品流体可以理想地包括基本上纯的二氧化碳，或者在蒸汽用于冲洗或解吸所述吸附剂接触器的情形，理想地包括基本上仅仅二氧化碳和蒸汽。因此，这样的第二产品流体可以理想地具有高度浓缩的二氧化碳，因此适于高效压缩(冷凝移除任何蒸汽组分)来供使用和/或储存，例如用于碳封存或其他应用例如提高原油采收率，以减少所述燃料燃烧器操作时的碳排放。
在另一实施例中，富集二氧化碳的第二产品流可以理想地选择并控制为提供一气流混合物，所述气流混合物中二氧化碳浓度例如低于约97％，或者二氧化碳浓度低于约90％，或者二氧化碳浓度低于约70％，或者二氧化碳浓度低于约50％。在一个这样的特定实施例中，选择性吸附二氧化碳的至少一吸附材料可以用于所述示例性的方法，并理想地在至少第一解吸步骤提供基本上无杂质的二氧化碳气流。所述基本上无杂质的二氧化碳气流，例如包括基本上二氧化碳和蒸汽的第二产品流，可以理想地用于需要二氧化碳的应用中，例如园艺、生物质生产、水处理、食品制造和化学品和聚合物的生产中。根据示例性实施例从所述第二产品流获得选择浓度的二氧化碳和或基本上无杂质的二氧化碳气流可以通过减少对下游纯化过程和或设备的需求来理想地减少供应二氧化碳气流的成本。
在所述第一解吸步骤之后，在另一个实施例中可以使用一第二解吸步骤来解吸吸附在所述至少一吸附剂接触器内的所述至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分。在一个这样的实施例中，所述集成式吸附气体分离方法可以包括允许一适当的调节流进入所述吸附剂接触器，以解吸吸附在所述至少一吸附剂接触器内的所述至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分，所述调节流例如但不限于室温空气流、热空气流或热的烟道气流。所述方法随后可以包括在所述至少一吸附剂接触器的所述入口或出口回收一第三产品流，所述第三产品流包括所述二氧化碳组分的所述第二部分。解吸吸附在所述吸附剂接触器的所述二氧化碳组分的所述第二部分可以由TSA、PSA和PPSA解吸方法中至少一个驱动。含有调节流的所述调节流或第三产品流的至少一部分随后经过所述燃料燃烧器的氧化剂入口和一第三产品流导管在操作时循环经过所述燃料燃烧器。在一个实施例中，所述第三产品流理想地具有高于环境空气的二氧化碳浓度的高浓度，例如二氧化碳浓度为高于大气二氧化碳浓度的400ppm。在另一个实施例中，所述第三产品流可以理想地具有一与所述燃烧器产生的燃烧气流相比更高的二氧化碳浓度。在一个实施例中，在所述第二解吸步骤允许进入一吸附剂接触器的所述调节流可以理想地、有效地解吸吸附在所述吸附剂接触器的所述吸附材料上的所述剩余二氧化碳组分的大部分，或者更优选地所述剩余二氧化碳组分的全部，并经由一氧化剂入口循环所述二氧化碳组分的所述第二部分到所述燃料燃烧器。
在根据本发明的另一个实施例中，所述集成式吸附气体分离方法可以包括：
(a)允许燃料流进入一燃料入口并允许氧化剂流进入所述燃料燃烧器的一氧化剂入口，以产生包括二氧化碳和水组分的燃烧气流；
(b)允许所述燃烧气流进入一吸附气体分离系统，所述吸附气体分离系统带有多个吸附剂接触器；
(c)允许所述燃烧气流进入至少一吸附剂接触器的一入口，所述至少一吸附剂接触器带有至少一用于吸附所述二氧化碳组分的吸附材料；
(d)在至少一吸附材料上吸附所述燃烧气流的所述二氧化碳组分的至少一部分；
(e)从至少一所述吸附剂接触器的一出口回收一第一产品流，所述第一产品流相对所述燃烧气流消耗了所述二氧化碳组分；
(f)中止所述燃烧气流进入所述至少一吸附剂接触器；
(g)解吸在至少一所述吸附剂接触器内的至少一所述吸附材料上吸附的所述二氧化碳组分的一第一部分；
(h)在至少一吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一第二产品流，所述第二产品流相对所述燃烧气流富集了所述二氧化碳组分；
(i)解吸吸附在所述至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分；
(j)在至少一吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一第三产品流，所述第三产品流包括所述二氧化碳组分的所述第二部分；和
(k)循环所述第三产品流的至少一部分到所述燃料燃烧器的氧化剂入口用于燃烧。
在一个特定实施例中，解吸吸附在至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分可以包括允许一调节流体进入至少一吸附剂接触器，以从所述吸附材料解吸所述二氧化碳组分的所述第二部分。在一个这样的实施例中，所述调节流体流可以包括空气、加热的空气、蒸汽、燃烧气体、富集氧化剂的流体流或任何其他适当的调节流体，所述回收的第三产品流可以包括所述调节流体流和所述吸附的二氧化碳组分的所述第二部分。在另一个特定实施例中，所述二氧化碳组分的所述第二部分可以通过TSA、PSA和PPSA解吸机制中一个或多个解吸。
在又一个实施例中，所述集成式吸附气体分离方法可以包括在解吸吸附在所述至少一吸附剂接触器的所述至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的第一部分的第一解吸步骤中允许一解吸流体流进入所述吸附剂接触器，其中所述解吸流体可以包括空气、加热的空气、蒸汽、燃烧气体、烟道气或其他适当的解吸流体中至少一个。在所述第一解吸步骤后，在一个特定实施例中，一第二解吸步骤可以包括允许一调节流体流进入所述吸附剂接触器，用于解吸吸附在所述至少一吸附剂接触器内的所述至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分，其中，所述调节流体包括蒸汽或其他适当的调节流体。
在又一个实施例中，解吸吸附在至少一吸附剂接触器内的至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第一部分可以包括加热所述吸附材料和所述吸附剂接触器中至少一个。在一个这样的实施例中，这样的加热可以包括直接加热例如通过电阻或焦耳加热所述吸附材料和/或所述吸附剂接触器，或者间接加热例如通过允许加热的流体进入所述吸附剂接触器。类似地，在另一个实施例中，解吸吸附在至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分可以包括加热所述吸附材料和所述吸附剂接触器中至少一个。在一个这样的实施例中，这样的加热可以包括直接加热例如通过电阻或焦耳加热所述吸附材料和/或所述吸附剂接触器，或者间接加热例如通过允许加热的流体进入所述吸附剂接触器。
在一个实施例中，循环所述吸附的二氧化碳组分的所述第二部分到所述燃料燃烧器的主要好处在于增加了作为进料混合物进入所述集成式吸附气体分离系统的所述燃烧气流中的二氧化碳浓度，这是因为所述燃烧气流会包括所述循环的二氧化碳组分和在燃烧过程产生的二氧化碳组分。尤其在燃烧气流中的基准二氧化碳浓度较低的燃料燃烧器的情形，例如蒸汽涡轮，以及例如在一些燃煤热力燃烧器、蒸汽发生器/锅炉和余热加热器的额外实施例中，与不循环二氧化碳组分的系统中的燃烧气流或者二氧化碳更稀薄的二氧化碳气流相比，所述燃烧气流中二氧化碳浓度的增加可以理想地增加所述吸附气体分离系统中二氧化碳的分离效率。源于作为进料混合物的所述燃烧气流中增加的二氧化碳浓度的、吸附分离二氧化碳的效率的这种增加在本发明的特定实施例中可以理想地允许下列至少一个：解吸所述吸附的二氧化碳的能耗下降，例如下降的蒸汽、其他冲洗流体或者电流消耗或解吸热需求；增加了在富集二氧化碳的所述第二产品流中二氧化碳的纯度；降低了所述吸附气体分离系统的大小和或建设成本；和提高了从所述吸附气体分离系统回收二氧化碳回收率。
在一个实施例中，解吸二氧化碳组分的所述第二部分可以主要通过用环境空气流和/或其他调节流置换冲洗或惰性冲洗，在这种情形解吸所述二氧化碳所需的能量可以理想地低。解吸二氧化碳组分的所述第二部分的环境空气和/或调节流还可以理想地通过二氧化碳的解吸热被冷却，因此所述第三产品流或富集二氧化碳的调节流在通过所述氧化剂入口循环到所述燃料燃烧器时与周围环境空气相比理想地更冷、更浓密。在一个实施例中，所述第三产品流可以冷却到一低于周围环境空气的温度。冷的、浓密的调节流可以理想地提高所述燃料燃烧器的效率，例如在所述燃料燃烧器在超大气压下操作，例如燃气涡轮，其中氧化剂燃烧前被压缩。在燃料燃烧器在基本上大气压或接近大气压下操作的应用中，所述调节流可以理想地预加热以提高所述燃料燃烧器的效率。在又一个实施例中，由于所述吸附气体分离系统中二氧化碳的再循环导致的所述燃料燃烧器中氧化剂流中增加的二氧化碳浓度，与仅仅环境空气用作氧化剂的系统相比，可以理想地提供所述氧化剂流的增加的热容量，这是因为与二氧化碳相比空气的比热容量更高。燃料燃烧器诸如燃气涡轮通常在过量空气(非燃烧气体)用于燃烧的情形操作，以维持燃烧温度低于临界或理想水平。增加燃料燃烧器和燃气涡轮的所述氧化剂流的热容量可以理想地允许所述燃气涡轮在降低的氧化剂质量流速和/或增加的燃料燃烧速率(从而增加所述燃料燃烧器的净功率输出)操作，同时维持燃烧温度低于临界或理想水平，导致所述燃气涡轮效率增加。
在所述燃料燃烧器造基本上大气压操作的替代实施例中，例如在典型的燃煤、蒸汽发生器/锅炉或余热燃烧器，用于解吸二氧化碳组分的所述第二部分的所述调节流或气流可以由较热的吸附剂接触器和/或吸附材料在所述第二解吸步骤加热。在这种情形，循环到所述燃料燃烧器的所述氧化剂入口的、所述第三产品流或富集二氧化碳的调节流可以理想地加热至高于周围空气的温度，并可以理想地提高所述大气压燃料燃烧器的效率。
在又一实施例中，在包括热交换器或从燃烧气流中回收热的燃料燃烧器中，例如典型的组合式循环燃气涡轮厂、热电厂、蒸汽发生器/锅炉、余热加热器等，由于通过氧化剂入口循环所吸附的二氧化碳的一部分到所述燃料燃烧器而在燃烧气流中二氧化碳浓度的增加也可以理想地增加所述燃烧气流的热容量，这是因为二氧化碳相对于空气的相对较高的热容量。这种燃烧气流的热容量的增加可以理想地允许所述燃烧系统的热传递/回收部分的更高的对流传热效率，例如在热交换器和/或热回收蒸汽发生器(称作“HRSG”))系统。
在又一实施例中，在包括辐射式热交换器或从燃烧气流中回收热的燃料燃烧器中，例如典型的蒸汽发生器/锅炉、热电厂和余热加热器等，由于循环所吸附的二氧化碳的一部分到所述燃料燃烧器而在燃烧气流中二氧化碳浓度的增加也可以理想地增加所述燃烧气流的辐射传热容量，这是因为燃烧气流中增长浓度的二氧化碳组分相对于燃烧气流中空气成分可以忽略的辐射传热容量的红外(IR)辐射频谱量。这种燃烧气流的辐射传热容量的增加可以理想地允许在这样的燃料燃烧器的热交换器的辐射区域进行更高的辐射热回收。
在又一实施例中，由于通过一氧化剂入口循环所吸附的二氧化碳的一部分到所述燃料燃烧器而在燃烧气流中二氧化碳浓度的增加也可以理想地导致与包括较低二氧化碳浓度的燃料燃烧器的氧化剂流相比更低的燃烧绝热火焰温度，这可以理想地导致燃烧过程产生更少的氮氧化物。这种在燃烧气流和烟道气中减少的氮氧化物可以理想地提高排放质量和/或减少对排放处理系统的需求。
在本发明的又一个实施例中，气流形式的水蒸气可以用于调节流体流，以从所述吸附剂接触器的所述吸附材料解吸二氧化碳，并可以通过一氧化剂入口循环到所述燃料燃烧器，使得燃料燃烧器实现燃烧前注水系统。通过循环吸附过程的水蒸汽和/或从气流冲洗解吸步骤回收水可以理想地减少对水和注水系统的需求。
在一个实施例中，根据上述描述的本发明的集成式吸附气体分离方法可以理想地重复，以提供一基本上连续的或重复循环的燃烧气体分离方法，用于将所述二氧化碳组分的一第一部分从所述燃烧气流中分离，例如用于碳封存目的。在一个特定实施例中，根据所述的集成式吸附气体分离方法操作的集成式气体分离系统可以理想地包括两个或多个吸附剂接触器，以提供所述集成式气体分离方法的分步式和/或顺序式操作，还可以理想地允许从所述燃料燃烧器的所述燃烧气流中进行连续和或半连续吸附分离。在一个实施例中，集成式吸附分离系统可以包括三个或多个吸附剂接触器，使得所述第一产品流可以从一第一吸附剂接触器回收、所述第二产品流可以从一第二吸附剂接触器回收、包括所述二氧化碳的调节流体流或第三产品流可以从一第三吸附剂接触器回收，基本上同时进行。任何适当的机械设置可以在所述的集成式吸附气体分离系统应用，以提供并控制实施所述所述的集成式吸附气体分离系统所需的流体流动，例如集成式吸附气体分离系统使用机械的/气动的和/或其他类型的阀门或其他流动控制装置，来实施TSA和/或PPSA和/或PSA吸附方法的步骤，如现有技术已知的包括一个、两个、三个或更多个包括吸附材料的吸附剂接触器的系统。旋转轮或转子机械设置可以使用来提供并控制实施所述集成式吸附气体分离方法所需的流体流动，其中包括一个或多种吸附材料的所述多个吸附剂接触器位于旋转部件，例如可以类似于旋转轮或其他吸附剂轮。
在一个实施例中，所述一个或多个吸附剂接触器可以包括平行通道式吸附剂接触器。适当的平行通道式吸附剂接触器可以包括多个基本上平行的流体流动通道和多个室壁，所述流体流动通道朝向为所述吸附剂接触器的一入口和出口之间的一轴向方向，以允许流体流动通过所述吸附剂接触器，所述室壁包括至少一位于所述多个流体流动通道之间并分开所述多个流体流动通道的吸附材料。所述平行通道式吸附剂接触器还可以理想地包括多个轴向连续的导热丝，所述导热丝以所述轴向方向朝向并直接与包含在所述吸附剂接触器的所述多个室壁之内或之上的至少一吸附材料接触。一些适于实施所述集成式吸附气体分离方法的平行通道式吸附剂接触器在申请人的同时在审的、申请日为2010年2月26号、申请号为PCT/CA2010/000251的PCT国际专利申请中有描述，其内容在此引作参考，就像其为本申请的一部分。在一个或多个替代实施例中，替代的吸附剂接触器可以包括填充层式接触器、结构式吸附剂接触器和金属纤维接触器。
现在参考附图，图1示出了根据本发明实施例的一个示例性集成式吸附气体分离系统100的示意图，用于从一燃料燃烧器分离燃烧气体，所述燃料燃烧器例如是示例性的燃气涡轮燃料燃烧器300。在一个实施例中，所述集成式吸附气体分离系统可以用来实施从燃烧气体集成式吸附气体分离的方法，和/或具体来说实施在此描述的从燃烧气体集成式吸附气体分离二氧化碳的方法。集成式吸附气体分离系统100包括一原动机或涡轮燃料燃烧器300，例如示例性的天然气发电涡轮。工业上和航改的燃气涡轮的适当实例由美国纽约州Schenectady的通用电气公司、德国Erlangen的西门子公司和英国伦敦的劳斯莱斯公司制造。示例性的燃气涡轮燃料燃烧器300包括一氧化剂入口，用于允许一氧化剂流306(通常是空气流，但是可以包括一种或多种适当的氧化剂或氧化剂流，例如添加氧气的空气流、富集氧气的气流、基本上是氧气的气流、比周围空气中氧气含量低的氧化剂流、和/或带有回流的燃烧废气的氧化剂流)进入燃气涡轮燃料燃烧器300，以与燃料流302(通常是主要含有甲烷的天然气，但是可以包括任何其他适当的气体、蒸汽、液体或气载可燃烧燃料)混合，所述燃料流通过一燃料入口进入燃烧室310燃烧，并在操作时产生燃烧气流304，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述燃烧气流从例如一废气出口排出燃气涡轮燃料燃烧器300。
通常，使用天然气作为燃料的传统的燃气涡轮可以在传统的方法中以过量空气比约2.0-2.5操作，无须循环燃烧气流或二氧化碳流，其产生包括约3％-3.5％的二氧化碳的燃烧气流。作为对比，传统的燃料燃烧器，例如用煤作为燃料的锅炉通常产生包括约12％-15％的二氧化碳的燃烧气流。示例性的燃气涡轮300可以连接对一个或多个机械负载提供能量，所述机械负载例如是机械驱动的设备(图1中未示出)，包括产生电能的发电机。在一个实施例中，集成式吸附气体分离系统100可以包括一主原动机，例如燃气涡轮燃料燃烧器300，其连接一个或多个机械装置负载，其中至少一个所述机械装置负载包括一用于压缩一第二产品流的气体压缩机。连接到所述原动机的气体压缩机可以理想地比电机驱动的气体压缩机或次级原动机或引擎驱动的气体压缩机能效高。因为通过所述主原动机直接驱动一气体压缩机减少了需要驱动所述气体压缩器的装置的数量，因而导致这种效率的增加，所述装置例如是发电机、电动机或蒸汽发生器，这些装置中的每一个均包括内在的能量转换损失。
在一个实施例中，集成式吸附气体分离系统100包括一组合式燃气涡轮(CCGT)厂，除了示例性燃气涡轮燃烧器300外还包括一示例性热回收蒸汽发生器(HRSG)400和一蒸汽涡轮500，所述示例性热回收蒸汽发生器和所述蒸汽涡轮彼此流体连接，用于从所述燃烧气流304回收热能。在一个这样的实施例中，所述HRSG 400可以包括三个热回收蒸汽发生和膨胀回路。HRSG 400可以包括一气体入口、一气体出口、多个进料入口、一蒸汽出口和一个或多个热交换导管，在所述热交换导管处HRSG 400流体连接，以通过所述的HRSG 400进气口接收来自燃气涡轮300的燃烧气流304。在另一个实施例中，所述HRSG可以流体连接，以通过多个进料气体入口接收多个进料气流。燃烧气流304可以通过一气体入口进入所述HRSG400的加热回路，以在作为已经冷却的燃烧气流432通过HRSG 400的所述气体出口排出之前加热一个或多个热交换导管。蒸汽涡轮500可以流体连接，以通过多个入口从HRSG 400接收多个蒸汽流。
在一第一热回收蒸汽发生和膨胀回路，进料流403可以通过一高压进料入口进入HRSG 400，在作为第一蒸汽流512通过一蒸汽出口排出之前在一热交换导管404生成第一压力或高压力的蒸汽。蒸汽流512可以进入并膨胀，例如在高压蒸汽涡轮502，以在作为蒸汽流522排出一出口之前从膨胀的蒸汽流512中回收能量。在一个实施例中，所述第一膨胀蒸汽流522可以与来自HRSG 400的一第二蒸汽流514结合。在一第二热回收蒸汽发生和膨胀回路，一第二进料流405可以以中压通过一第二进料入口进入HRSG 400，在作为一第二蒸汽流514通过一蒸汽出口排出之前，在一热交换管道406以一第二或中等压力产生蒸汽。蒸汽流514可以允许进入例如一中压蒸汽涡轮504并膨胀，在作为蒸汽流524通过一出口排出之前从所述膨胀的蒸汽流回收能量。在一个实施例中，第二膨胀蒸汽流524可以与来自所述HRSG400的一第三蒸汽流516结合。在一第三热回收蒸汽发生和膨胀回路，一第三进料流407可以以低压通过一进料入口进入HRSG 400，在作为一第三蒸汽流516通过一蒸汽出口排出之前，在一热交换管道408以一第三或低压产生蒸汽。蒸汽流516可以允许进入例如一低压蒸汽涡轮506并膨胀，在作为蒸汽流526通过一出口排出之前从所述膨胀的蒸汽流回收能量。一水分离器，例如一冷凝器或冷却器(图1中未示出)，可以通过一入口流体连接以从蒸汽涡轮500接收蒸汽流526，以分离和回收蒸汽流526中的水组分。所述回收的水组分可以用于集成式吸附气体分离系统100，例如循环作为进料流403、405和407的水源。
在一实施例中，进料流403、405和407可以包括分别以高压、中压和低压提供的水流，所述水流来自集成吸附气体分离系统100的一外源和/或一内源中至少一个。蒸汽流512、514和516在蒸汽涡轮500的膨胀涡轮内的膨胀，将所述蒸汽的能量转化为机械能，其可以用于驱动一个或多个各种机械装置(图1中未示出)，例如包括发电机、气体压缩机或连接到蒸汽涡轮500的一个泵。
通常，来自一热回收蒸汽发生和膨胀回路或一蒸汽涡轮的蒸汽理想地具有高质量。蒸汽流的质量通常可以量化为蒸汽流的能量内容(例如温度和压力)和杂质含量(例如溶解的固体、pH值等)，高质量蒸汽可以包括高温、高压和低杂质含量。低质量的蒸汽流，与蒸汽涡轮产生的蒸汽流相比例如低能量和高杂质含量，可以接受用来解吸吸附的气体，例如一气体分离系统中的吸附材料上的二氧化碳，并可以由一辅助热交换器和一辅助热交换管路产生。
在又一实施例中，集成式吸附气体分离系统100还包括一辅助热交换器和一辅助热交换管路，所述辅助热交换器具有一流体连接以接收加热流体流的至少一部分作为热源的加热回路，所述辅助热交换管路流体连接以接收一解吸流体进料流并通过加热将所述解吸流体进料流转化为解吸流体流，例如用于解吸吸附在吸附气体分离系统200内的一吸附剂接触器内的吸附材料的吸附气体。所述加热流体可以是气体或液体，例如热的处理流体流、热的处理气体流或者来自燃料燃烧器的燃烧气流，所述燃料燃烧器例如是燃气涡轮300。在一个实施例中，吸附气体分离系统200流体连接以接收来自所述主原动机(例如燃气燃料燃烧器300)的废气出口的燃烧气流到至少一吸附剂接触器的一入口，以将所述二氧化碳组分的至少一部分吸附在至少一吸附材料上。所述吸附气体分离系统还流体连接，以将来自所述辅助热交换器的所述辅助热交换导管的解吸流体流接收到至少一吸附剂接触器的所述入口，以解吸所述吸附剂接触器包括的至少一吸附剂材料上的所述二氧化碳组分的至少一部分。所述吸附气体分离系统还流体连接，以接收一调节流体流到至少一吸附剂接触器的所述入口，以解吸所述至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的至少又一部分以回收一第三产品流。一第三产品流导管可以流体连接，从至少一吸附剂接触器的一出口接收所述第三产品流并通过所述氧化剂入口将所述第三产品流循环到所述原动机。在一个实施例中，所述解吸流体进料流可以进入所述辅助热交换器的一辅助热交换导管，优选以高于环境不超过2巴的压力，更优选以高于环境不超过1巴的压力。所述辅助热交换器的所述辅助热交换导管可以流体连接一气体或液体流源，并可以位于一可选的HRSG的下游。
在本发明的又一实施例中，集成式吸附气体分离方法还包括允许一加热流体的至少一部分进入一辅助热交换器的一加热回路以加热一辅助热交换器导管、允许一解吸流体进料流进入所述辅助热交换导管以通过加热将所述解吸流体进料流转化为一解吸流体流、和允许所述解吸流体解吸至少一吸附剂接触器内的至少一吸附材料上吸附的二氧化碳组分的至少一部分。所述加热流体可以是气体或液体，例如热处理液体流、热处理气体流或者来自一燃料燃烧器的燃烧气流。所述解吸流体进料流优选以不超过环境2巴的压力、更优选选以不超过环境1巴的压力进入辅助的热交换导管。这可以理想地减少生产和供应所述解吸流体所需的能量，导致所述吸附气体分离系统的低的操作成本。
再次参考图1，在一个实施例中，辅助的热交换器430可以包括一气体入口、一气体出口、一进料入口、一蒸汽出口和至少一辅助热交换导管411，其中热交换器430流体连接以通过一气体入口从HRSG 400接收燃烧气流432的至少一部分，并从燃气涡轮300接收燃烧气流304。辅助热交换导管411流体连接，以通过一进料入口接收一解吸流体进料流409，解吸流体进料流409来自燃烧气体冷却器220的第一冷凝流228和来自气体压缩系统240的第二冷凝流242。进一步的冷却燃烧气流432可以在通过热交换器430的所述气体出口作为燃烧气流410排出之前通过辅助热交换器430的所述气体入口进入辅助热交换导管411。解吸流体进料流409可以通过一进料入口以非常低的压力进入辅助热交换器430，例如基本上环境压力或者稍微高于环境压力，在通过蒸汽出口作为蒸汽流或解吸流体流214排出之前在辅助热交换导管411产生第四压力或非常低压的蒸汽。
在一个实施例中，在辅助热交换导管411产生的非常低压力的蒸汽流可以理想地通过一蒸汽出口供应给一吸附气体分离系统而无需经过膨胀涡轮。辅助热交换导管411可以理想地设置为提供与所述HRSG 400的其他部分相比更低压力的蒸汽，例如可以适于吸附气体分离系统200的低压应用，其优选在基本上环境压力或稍高于环境压力下操作。从所述示例性辅助热交换导管411提供的非常低压的蒸汽流可以理想地用于提供解吸流体或者蒸汽冲洗流体，以用于从所述吸附分离系统的所述一个或多个吸附器解吸二氧化碳，解吸的二氧化碳产生一第二产品流循环到所述燃料燃烧器来燃烧，如上面参考本发明的其他实施例所描述。解吸流体进料流409可以为基本上水流，优选至少一部分回收自燃烧气体冷却器220和第一冷凝流228。或者，解吸流体进料流409可以由集成式吸附气体分离系统100之外的一个源(图1中未示出)提供。
在又一实施例中，提供蒸汽流给一吸附气体分离器来解吸的辅助热交换器或辅助热交换导管411可以集成到一主要的热回收蒸汽发生器420。图2示出了一集成式吸附气体分离系统110，其基本上类似于图1的集成式吸附气体分离系统100，但是有以下区别。在图2的系统110中，辅助热交换导管411集成到所述HRSG 420，因此替代和消除了图1所示的燃烧气流432和热交换器430。在其他方面，图2的集成式吸附气体分离系统110基本上类似于图1所示出和上面详细描述的系统100。
与蒸汽涡轮使用的理想的高质量蒸汽相比，生成和使用低质量的蒸汽流在很低压力且宽松的杂质要求对于从吸附气体分离系统200的所述吸附材料中解吸二氧化碳可以是理想的。一些优点包括例如通过减少或替代蒸汽涡轮所用的蒸汽来增加所述集成式吸附气体分离系统的效率，循环从所述集成式吸附气体分离系统收集的冷凝物可以使得所述集成式吸附气体分离系统的操作基本上独立于正常操作时用于产生蒸汽的外部水供应。
集成式吸附气体分离系统100和110还包括一燃烧气体冷却器220，例如具有一气体出口和一气体出口的直接接触式燃烧气体冷却器，其中燃烧气体冷却器220通过所述气体入口流体连接，以接收在辅助热交换器430或HRSG 420冷却的燃烧气流410。燃烧气体冷却器220在燃烧气流410通过一出口作为燃烧气流212排出之前对其冷却。燃烧气体冷却器220分离和回收燃烧气流410中包含的水组分。
吸附气体分离系统200包括一个或多个吸附接触器，每一吸附接触器包括至少一适当的吸附材料，例如适于吸附包含在燃烧气流内的二氧化碳的至少一部分。适当的流动改道和/或流动控制装置，例如阀和/或换向器(图1中未示出)，可以用于控制和/或循环进入吸附气体分离系统200的一个或多个吸附接触器的流体流。在一个实施例中，吸附气体分离系统200可以包括至少三个吸附接触器202、204和206，它们设置为每一吸附接触器可以流体连接以在一给定时间接收一分别的流体流。吸附气体分离系统200流体连接以通过入口接收来自燃烧气体冷却器220的燃烧气流212，流体连接以从辅助热交换导管411和辅助热交换器430(参见图1)或HRSG 420(参见图2)接收一解吸流体流214，流体连接以从一调节流源(图1和图2未示出)接收一调节流216(例如空气流)，所述调节流源例如是环境空气或另一种适当的调节流，例如加热的空气、蒸汽或加热的过程流体。
图1示出了吸附气体分离系统200的第一顺序。吸附接触器202、204和206的位置可以变化，取决于每一接触器的理想步骤。在后面的第二和第三顺序(图1中未示出)，接触器202、204和206可以排位为交替位置。在第一顺序，接触器202定位为从一吸附步骤接收燃烧气流212，接触器204定位为在一第一解吸步骤接收蒸汽流或解吸流体流214，接触器206定位为在一第二解吸步骤接收一调节流216。每一吸附剂接触器在所述吸附、第一解吸和第二解吸步骤之间连续或者重复循环。所示的吸附接触器202、204和206每一个可以包括顺序经历所述步骤的单个或多个接触器。
燃烧气流212可以进入接触器202，用于在接触器202的所述吸附材料上吸附所述燃烧气流中的所述二氧化碳组分的至少一部分、优选全部，以回收消耗了二氧化碳的一第一产品流222。在一个实施例中，第一产品流体222可以理想地为基本上不含二氧化碳，以释放到环境中。接触器204可以从接触器204的所述吸附材料解吸吸附的二氧化碳的一第一部分。在一个实施例中，二氧化碳的所述第一部分可以通过在一入口进入一解吸流体流214加热所述吸附材料来解吸，以在一出口回收一第二产品流，所述第二产品流相对所述燃烧气流理想地富集二氧化碳。在一替代实施例中，热的燃烧气流，源自一燃料燃烧器的下游，或者优选地源自燃料燃烧器的下游且在一气体分离系统的上游，或者更优选地位于源自燃料燃烧器的下游且在一燃气冷却器的上游，可以用于解吸和/或冲洗吸附的二氧化碳的所述第一部分。在又一可选实施例中，吸附在所述吸附材料上的二氧化碳的所述第二部分可以例如由一热的燃烧气流解吸，所述燃烧气流源自燃气涡轮300的下游，或者源自燃气涡轮300的下游和吸附气体分离系统200的上游，或者源自燃气涡轮300的下游和燃烧气体冷却器220的上游。在一个这样的实施例中，所述第二产品流可以包括基本上纯的二氧化碳和/或基本上二氧化碳和蒸汽(或者其他适当的用于解吸的流体)，其可以理想地适于有效压缩以供使用和/或储存，以用于例如碳封存或者用于提高采油率。接触器206可以通过一出口和一氧化剂源(图1中未示出)接收一调节流体216，以从接触器206的所述吸附材料解吸二氧化碳的一第二部分，并通过一出口回收和循环富集二氧化碳的一调节流体流或一第三产品流。在一个实施例中，回收所述第一产品流体、第二产品流体和第三产品流体可以基本上同步进行。
在又一个实施例中，集成式吸附气体分离系统100还包括燃气涡轮燃料燃烧器300，其可以流体连接以通过一第三产品流导管(图1未示出)和燃气涡轮燃料燃烧器300的氧化剂入口接收第三产品流226的至少一部分。第三产品流226可以通过所述氧化剂入口循环到燃气涡轮燃料燃烧器300，以在操作时作为所述氧化剂的至少一部分进入燃气涡轮燃料燃烧器300。在一个实施例中，所述选择性吸附二氧化碳的吸附材料可以用于所述吸附气体分离系统200，其可以例如用于在所述解吸步骤产生基本上不含杂质的二氧化碳流，所述二氧化碳流可以基本上不含氮氧化物和/或硫氧化物。与传统的废气再循环方法相比，循环基本上不含杂质的第三产品流到一燃料燃烧器是理想的，传统的废气再循环方法没有从所述燃烧气流移除所述氮氧化物和/或硫氧化物的至少一部分。在一个这样的实施例中，与所述第三产品流的所述二氧化碳组分的浓度相比，使用氧化剂流来解吸和回收所述第三产品流可以提供所述第二产品流中更高的二氧化碳组分浓度。
在一个实施例中，所述第一吸附剂接触器202优选地吸附燃烧气流212中基本上所有二氧化碳组分，导致从吸附气体分离系统200的一出口回收的一第一产品流体基本上不含二氧化碳。在一个示例性实施例中，在一解吸步骤从第二接触器204解吸的二氧化碳的所述第一部分可以理想地包括在吸附步骤吸附的总的二氧化碳的仅仅一部分，在一优选实施例中包括不超过在吸附步骤吸附的总的二氧化碳的一半，更理想的是，包括在吸附步骤吸附的总的二氧化碳的约三分之一。因此，在一个实施例中，从接触器206解吸的二氧化碳的所述第二部分可以理想地包括在吸附步骤吸附的二氧化碳总量的不低于二分之一，更优选的是包括在吸附步骤吸附的二氧化碳总量的约三分之二。在一个实施例中，解吸在吸附步骤吸附的二氧化碳总量的不低于一半更优选约三分之二并将所述第三产品流226循环回燃气涡轮燃料燃烧器300，可以理想地增加在递送到吸附气体分离系统200的燃烧气流304、432、410和212中的二氧化碳浓度，从而增加在接触器202的二氧化碳吸附效率并增加在接触器204中二氧化碳的所述第一部分的解吸效率。从而增加吸附气体分离系统200的能效并降低生产分别消耗了二氧化碳和富集二氧化碳的第一产品流222和第二产品流224的成本。
例如，集成式气体分离方法使用天然气流作为燃料燃烧器的燃料流，其中从气体分离装置回收的一产品流允许通过一氧化剂入口进入所述燃料燃烧器，可以理想地增加所述燃料燃烧器产生的燃烧气流的所述二氧化碳组分至浓度大于约4％、或者优选大于6％、或者更优选大于10％、或者最优选大于20％。在另一个实例中，集成式气体分离方法使用煤作为燃料燃烧器的燃料，其中从气体分离装置回收的一产品流允许通过一氧化剂入口进入所述燃料燃烧器，可以理想地增加所述燃料燃烧器产生的燃烧气流的所述二氧化碳组分至浓度大于约15.5％、或者优选大于18％、或者更优选大于20％、或者最优选大于25％。而且，通过所述氧化剂入口循环第三流体流226中包含的二氧化碳和空气到燃气涡轮燃烧器可能具有降低用于燃烧的组合的氧化剂的温度的优点，这是因为二氧化碳的所述第二部分的解吸热引起氧化剂温度的降低，从而增加燃气涡轮燃料燃烧器300的效率。燃气涡轮燃料燃烧器300在压缩阶段的效率也可以增加，这是因为更冷的氧化剂流和允许进入燃气涡轮燃料燃烧器300的所述氧化剂压缩机的所述第三产品流226中的二氧化碳的增加的热容量(与仅提供空气相比)。
在一个实施例中，如图1所示的集成式吸附气体分离系统100还可以包括一气体压缩系统240，所述气体压缩系统具有一气体入口、一气体出口和一冷凝出口，其中气体压缩系统240流体连接以通过所述气体入口从吸附气体分离系统200接收一产品流体，例如富集二氧化碳的第二产品流224。所述气体压缩系统240可以理想地包括一二氧化碳压缩链系统，适于通过例如一系列顺序的压缩段压缩富集二氧化碳的所述第二产品流，所述压缩段之间有中间冷却器和可选的冷凝器，以通过高压和/或液化浓缩的二氧化碳产品流，例如用于供应给其他行业和/或封存应用，例如封存储存和/或提高采油率。所述压缩的第二产品流可以通过气体压缩系统240的一出口排出，作为高压二氧化碳流240。所述第二产品流包括的水组分可以例如通过冷凝器分离并通过压缩系统240的冷凝出口排出并作为第二冷凝流242回收。在一些应用中，根据一特定实施例，例如提高采油率结合发电，集成式吸附气体分离系统可以位于接近一油田，发电并供电给电网并为油田注入高压二氧化碳流。
在又一实施例中，HRSG或辅助热交换器的一个或多个可以流体连接以从压缩系统的一个或多个冷凝器中接收压力和/或温度提高的一个或多个冷凝流，作为进料流和/或解吸流体进料流的至少一部分。在一具有多个系统压缩段的压缩系统中，段间使用多个中间冷却器和多个冷凝器，所述多个冷凝器可以流体连接以以多个压力供应多个段间冷凝流给HRSG的多个热交换导管。可选地，所述多个冷凝器可以流体连接所述多个热交换导管，单独地或者组合式。通过使用在所述压缩系统中产生的压力和/或热的至少一部分以在一HRSG或辅助热交换器产生至少一部分蒸汽，流体连接所述压缩系统的所述多个冷凝器可以理想地增加所述集成式吸附气体分离系统和方法的效率。
在又一实施例中，集成式吸附气体分离系统可以操作，允许氧化剂流和燃料流进入一燃料燃烧器以产生包括至少二氧化碳和水组分的燃烧气流。所述燃烧气流可以进入一辅助热交换器，在允许进入一燃烧气体冷却器之前以传递热给辅助热交换导管，在所述燃烧气体冷却器处燃烧气流的水组分的至少一部分被分离，形成可以回收的第一冷凝流。所述燃烧气流随后可以进入一气体分离系统，在所述气体分离系统包含在所述燃烧气流中的所述二氧化碳组分的至少一部分可以吸附在至少一吸附材料上。所述基本上消耗了二氧化碳的气流可以从所述气体分离系统作为一第一产品流排出。所述辅助热交换器的所述热交换导管可以产生一解吸流体流，例如蒸汽流，所述解吸流体流可以选择性进入所述气体分离系统，在所述所述气体分离系统解吸吸附在所述至少一吸附材料上的所述二氧化碳组分的至少一部分，产生基本上二氧化碳和蒸汽的流或者第二产品流。所述第二产品流可以进入一水分离器，例如冷却器或冷凝器，在此所述第二产品流中的所述水组分的至少一部分分离，形成可以回收的一第二冷凝流。所述第一和/或第二冷凝流可以进入所述辅助热交换导管。在一个实施例中，回收的所述第一冷凝流的量可以大于或等于足够解吸在一吸附剂接触器的所述吸附材料上吸附的二氧化碳组分的至少一第一部分。或者，可以回收的所述第一冷凝流和第二冷凝流的量大于或等于足够解吸在一吸附剂接触器的所述吸附材料上吸附的二氧化碳组分的至少一第一部分。冷凝和回收所述第一和第二冷凝流可以允许所述集成式吸附气体分离系统在基本上不需要外部水源的情况进行。这可以理想地能够使集成式吸附气体分离系统在供水有限的位置操作，和/或通过减少外部供应水的消费和成本来减少所述集成式吸附分离气体系统的操作费用。
在一个适于从组合式循环天然气发电涡轮的燃烧气体吸附气体分离的特定实施例中，例如从燃烧气体中所述集成式吸附气体分离二氧化碳，所述吸附气体分离系统可以理想地解吸吸附在一接触器的所述二氧化碳的约三分之一，以回收一第二产品流体，所述第二产品流体富集二氧化碳或者基本上只含有二氧化碳；解吸吸附在一接触器的所述二氧化碳的约三分之二，以回收一第三产品流体，所述第三产品流体可以循环回到所述燃气涡轮用于燃烧。在一个这样的实施例中，第三产品流体包括吸附在一吸附剂接触器上的二氧化碳的约三分之二，第三产品流体循环回所述燃气涡轮用于燃烧，从一燃烧器排出的燃烧气流中二氧化碳的浓度或含量，包括例如燃气涡轮理想控制的包含约12％的二氧化碳，其中包含在所述燃烧气流中的二氧化碳的约三分之一(即在在所述燃烧气流中包含的所述12％的二氧化碳中约3-4％的二氧化碳)以所述第二产品流回收(例如用于封存和/或工业应用)，包含在所述燃烧气流中的二氧化碳的约三分之二(即在在所述燃烧气流中包含的所述12％的二氧化碳中约7-8％的二氧化碳)循环回所述燃气涡轮用于燃烧。在替代实施例中，燃气涡轮的所述燃烧气流中的二氧化碳的浓度可以理想地控制为大于12％，例如在适于设置为这种二氧化碳浓度的燃气涡轮中，可以提供进一步的优点，以进一步提高所述吸附系统中吸附分离二氧化碳的效率，和/或提高所述涡轮和/或热回收方法的效率。
在一个实施例中，集成式气体分离方法可以包括允许作为燃料流的天然气流、氧化剂流和一第三产品流进入一燃料燃烧器，在操作时，所述燃料燃烧器产生的燃烧气流中二氧化碳的浓度大于约4％、或者优选大于约6％、或者更优选大于约10％、或者最优选大于约20％。进入所述燃料燃烧器的所述氧化剂流可以是空气流，但是在一替代实施例中可以包括一种或多种其他适当的氧化剂流，例如补充氧的空气流、氧气富集的流、氧气含量低于环境空气的氧化剂流和/或带有废气循环的氧化剂流。
在又一实施例中，集成式气体分离方法可以包括允许作为燃料的煤、氧化剂流和一第三产品流进入一燃料燃烧器，例如锅炉，在所述燃料燃烧器操作时产生的燃烧气流中二氧化碳的浓度大于约15.5％、或者优选大于约18％、或者更优选大于约20％、或者最优选大于约25％。所述允许进入所述燃料燃烧器的氧化剂流可以是空气流，但是在一替代实施例中可以包括一种或多种其他适当的氧化剂流，例如补充氧的空气流、氧气含量低于环境空气的氧化剂流和/或带有废气循环的氧化剂流。
图3示出了根据本发明一个实施例的、示例性的集成式二氧化碳气体分离系统在各种操作点的各种计算机模拟曲线，其根据本发明的一个实施例实施使用燃气涡轮的、示例性集成式二氧化碳气体分离方法。在一个这样的实施例中，所述集成式二氧化碳气体分离系统包括一燃气涡轮，所述燃气涡轮采用天然气作为燃料、空气作为氧化剂并循环富集二氧化碳的气流到所述燃气涡轮的所述氧化剂入口。所述燃气涡轮内的燃料流动、所述膨胀涡轮的入口温度和从所述集成式二氧化碳气体分离系统中回收的二氧化碳的浓度基本不变。图3中的x-轴代表特定的操作点，其中在操作点1有最多的二氧化碳循环到所述燃气涡轮(模拟一第三产品流进入所述涡轮的所述氧化剂入口)，在操作点17有最少的二氧化碳循环到所述燃气涡轮。曲线601示出了进入所述燃气涡轮的空气的摩尔流速。曲线602示出了进入所述燃气涡轮的氧化剂流中氧气的摩尔分数。曲线603示出了所述燃气涡轮产生的所述燃烧气流中二氧化碳的浓度。曲线604示出了进入所述燃气涡轮的氧化剂流中二氧化碳的摩尔分数。曲线605示出了所述燃气涡轮产生的所述燃烧气流的热容量。曲线606示出了所述实例的集成式二氧化碳气体分离系统的功率输出。在一个实施例中，图3可以示出在一示例性的计算机模拟集成式二氧化碳气体分离系统中允许进入所述燃气涡轮的所述氧化剂流中二氧化碳的摩尔分数的变化影响所述燃烧气流的二氧化碳浓度和热容量以及所述集成式二氧化碳气体分离系统的功率输出。
图4示出了一个集成式吸附气体分离系统700的一个示意图，用于根据本发明一实施例的分离一燃料燃烧器产生的燃烧气体并用于根据本发明的方法实施例。在一个实施例中，所述集成式吸附气体分离系统700可以用于实施在此描述的本发明的集成式二氧化碳气体分离方法。在集成式气体分离系统700操作时，燃料流702(通常是主要包括甲烷的天然气，但是可以包括任何适当的气态、蒸汽、液态、固态或气载的可燃燃料)可以通过一燃料入口进入，并与通过一氧化剂入口进入燃料燃烧器704的混合的氧化剂流710混合，产生一至少包括二氧化碳和水组分的燃烧气流712。燃烧气流712可以分成一燃烧气流718和一可选的混合流716。气体分离系统708流体连接，以通过一入口接收源自所述燃烧气流712的燃烧气流718，并分离燃烧气流718的所述二氧化碳组分的至少一部分，所述燃烧气流712从燃料燃烧器704的一排气口排出。
在一个实施例中，气体分离系统708可以使用吸附气体分离方法，例如解吸和/或吸附气体分离方法；在一个替代实施例中，气体分离系统708可以使用任何一种或多种适当的气体分离方法，例如包括但不限于化学吸附气体分离方法(例如使用胺基溶剂和/或胺浸渍的吸附支撑材料)、和/或膜气体分离方法(例如使用分子筛或陶瓷膜)、和/或吸附气体分离方法(例如使用已知的吸附材料)。
在一个实施例中，燃烧气流718流经气体分离系统708，所述二氧化碳组分可以吸附在气体分离系统708内的至少一吸附材料上，例如在至少一吸附剂接触器内，从吸附热产生热和一烟道气流714，所述烟道气流相对燃烧气流712消耗了二氧化碳组分。在一个实施例中，所述气体分离方法可以理想地导致所述燃烧气流中的基本上所有二氧化碳组分被稀释和分离，使得从气体分离系统708回收的烟道气流714可以理想地基本上不含二氧化碳。烟道气流714可以例如通过一出口从气体分离系统708回收，并从集成式气体分离系统700排放到环境空气。从吸附热释放的热的至少一部分可以用于从所述吸附材料解吸所述二氧化碳组分。例如，在一气体分离系统，一第一接触器可以执行一吸附步骤，而一第二接触器可以执行一解吸步骤，来自所述第一接触器的吸附热可以输送并用于在所述第二接触器的所述二氧化碳组分的解吸。
在一个实施例中，氧化剂流706，例如包括空气流、添加氧气的空气流、基本上氧气流、含氧气少于环境空气的氧化剂流中至少一个，和燃烧气流718可以通过相应的入口进入气体分离系统708，以解吸所述吸附材料上的二氧化碳组分的至少一部分并可选地调节吸附方法的所述吸附材料，产生富集二氧化碳的混合氧化剂流710。根据一个实施例，至少周期性通过混合的氧化剂流710可以从气体分离系统回收基本上所有吸附的二氧化碳组分，例如通过所述气体分离系统708的所述吸附材料和/或吸附剂接触器的示例性置换冲洗。燃料燃烧器704通过一氧化剂入口和一混合气体管路(图4未示出)流体连接，以至少周期性接收混合氧化剂流710的至少一部分，作为所述气体分离系统的出口的氧化剂流。可选地，供应给燃料燃烧器704的所述氧化剂流的一部分可以流体连接一氧化剂源并由其供应，而无须流经一气体分离系统。在一个这样的实例中，燃料燃烧器704可以流体连接，以从气体分离系统708接收氧化剂流706的至少一部分和混合的氧化剂流710，并直接接收氧化剂流706(图4中未示出)的至少一部分，而无须流经气体分离系统708。由于混合的氧化剂流710可以是富集二氧化碳的，与仅使用空气作为氧化剂的燃料燃烧器相对，燃料燃烧器704产生的燃烧气流712和燃烧气流718也可以理想地富集二氧化碳或者具有提高的二氧化碳浓度，这可以理想地提高吸附气体分离系统708的效率。可选地，燃烧气流712的至少一部分可以至少周期性从集成式气体分离系统700通过一富集二氧化碳导管(图4中未示出)作为可选的混合流716回收，所述富集二氧化碳导管可以流体连接一燃烧气体导管。从集成式气体分离系统700和混合流716中回收的碳的摩尔量可以优选地约等于通过一燃料入口进入燃料燃烧器704的燃料流的碳的摩尔量。燃烧气流712和燃烧气流718在富集二氧化碳时也可以理想地允许解吸所述吸附材料时使用减少的量解吸流体或者更优选地不使用解吸流体(例如蒸汽流)，这可以理想地减少所述吸附材料或气体分离系统解吸时消耗的能量，进一步导致所述气体分离系统700的提高的效率和减少的资金和/或操作成本。
在另一方面，根据本发明一实施例的集成式吸附气体分离系统可以包括一变温吸附(TSA)方法，尤其针对从来自一燃料燃烧器的燃烧气流中的二氧化碳，其中所述燃烧气体混合物中包括至少二氧化碳和水组分。所述用于分离二氧化碳的TSA方法可以适于从热电厂、蒸汽发生器/锅炉或余热加热器的燃烧气体或废气中分离二氧化碳的至少一部分，所述热电厂例如是燃煤或天然气发电厂。在一第一解吸步骤解吸吸附在接触器上的二氧化碳组分的至少一部分在所述第二产品流回收可以理想地具有增加从所述燃料燃烧器排出的所述燃烧气体中的二氧化碳的浓度的优点，使得在所述吸附气体分离系统中从所述燃烧气体分离二氧化碳可以更有效地吸附分离，例如采用TSA方法。可选地，所述集成式吸附气体分离方法可以主要基于变压吸附(PSA)和/或分压变压(PPSA)/置换冲洗吸附方法，例如上面描述的TSA不是主吸附方法而可以包括一辅助吸附驱动。
在一个这样的实施例中，TSA(或者PSA和/或PPSA)二氧化碳气体分离方法可以理想地在所述吸附气体分离系统的多个平行通道式吸附剂接触器中的每一个重复，以提供从燃烧气流分离所述二氧化碳组分的至少一部分的连续或重复循环分离方法，同时循环所述二氧化碳的一部分到所述燃料燃烧器。特别地，类似于上面所描述，吸附气体分离系统可以理想地包括两个或多个平行通道式吸附剂接触器，以提供适当的TSA(或者PSA和/或PPSA)分离方法的分段式和/或顺序操作(即吸附和解吸步骤在不同的接触器在不同时间进行)，并允许从源自燃料燃烧器的燃烧气流中连续地或半连续地吸附分离。如上面所描述，使用机械/气动或其他类型的阀门或其他流动控制装置的任何适当的已知的吸附分离系统可以用来实施本发明的TSA(或者PSA和/或PPSA)方法，包括含有吸附材料的一个、两个、三个或更多个吸附器是现有技术已知的。
类似于上面所描述，在一个实施例中，适于实施所述二氧化碳分离方法的吸附气体分离系统包括至少一平行通道式吸附剂接触器，每一吸附剂接触器包括多个基本上平行大的流体流动通道和多个室壁，所述流体流动通道在所述接触器的入口和出口之间的一第一轴向方向朝向，以允许气体流经所述接触器，所述室壁包括至少一位于所述多个流体流动通道之间并分开所述多个流体流动通道的、至少一二氧化碳选择性吸附材料。每一适当的这种平行通道式吸附剂接触器还包括多个以所述接触器的所述轴向方向朝向的、轴向连续的导热丝，所述导热丝直接接触所述包括在所述接触器的所述室壁的至少一二氧化碳吸附材料。如上所述，适于用来实施根据本发明的一个实施例的TSA二氧化碳分离方法的、一些这样的平行通道式吸附剂接触器在申请人的共同未决PCT国际申请PCT/CA2010/000251中有描述，其内容在此引作参考，就好像它们是本申请的一部分。所述气体分离系统可以适于实施主要基于变压和/或分压变压/置换冲洗吸附方法的二氧化碳分离方法，例如上面参照TSA不是主吸附方法而包括辅助吸附驱动的其他实施例所描述。
在本发明的集成式吸附燃烧气体分离方法的一个实施例中，任何适当的现有的二氧化碳吸附材料可以用于吸附分离系统的吸附剂接触器，以在该方法的吸附步骤吸附二氧化碳。适当的二氧化碳吸附剂可以包括但不限于：活性碳吸附剂、浸渍胺的吸附剂支撑(包括硅土、活性碳、氧化铝、沸石、聚合物和陶瓷支撑)、金属盐、金属氢氧化物、金属氧化物、沸石、水滑石、碱性增强的铝、硅沸石、金属有机框架和沸石咪唑框架吸附材料以及它们的组合。在一个特定实施例中，适当的二氧化碳吸附材料也可以理想地相对燃烧气体进料混合物中的其他气体组分对二氧化碳具有吸附选择性。
类似于上述的其他实施例，在本发明的一个实施例中，TSA(或者PSA和/或PPSA)吸附气体分离方法的步骤可以理想地在基本上常压或等压条件下进行。在一特定实施例中，允许燃烧气体进料混合物进入吸附剂接触器、吸附二氧化碳组分、回收一产品产品流或消耗了二氧化碳的烟道气流、解吸吸附在一接触器的吸附材料上的二氧化碳的至少一部分、回收一第二产品流、解吸吸附在一接触器的吸附材料上的二氧化碳的一第二部分和回收一第三产品流所有均在基本上大气压下进行。本发明的TSA(或者PPSA或者与PPSA相结合)方法可以在一恒定的升高的压力下进行，例如在超过大气压的恒压下。在另一替代实施例中，本发明的TSA(或者PPSA或者与PPSA相结合)方法中的允许燃烧气流进入、吸附燃烧气流和回收一第一产品流步骤可以在第一基本上恒定的压力条件下进行，例如在大气压下，而解吸和回收一解吸的含有二氧化碳的第二产品流的步骤可以在一升高的压力下进行，例如在一升高的超大气压下。在一个这样的实施例中，所述吸附分离系统和/或吸附接触器在解吸步骤之前是基本上密封的，在解吸步骤，随着吸附的二氧化碳从吸附材料上解吸，吸附剂接触器的热量可以导致接触器内增大的压力，从而将接触器内的压力升高到一超大气压的水平。这样，解吸的二氧化碳产品流体或者第二产品流可以可选地在一高于吸附步骤进行的压力的、理想的升高的压力下回收，以提供增压的富集二氧化碳的第二产品流，其在一些应用中可能是理想的，例如在需要进一步压缩二氧化碳来运输、储存、封存或工业使用的情形。富集二氧化碳的、所述解吸的第二产品流可以从所述吸附气体分离系统和/或吸附剂接触器的所述入口或出口回收。
在又一实施例中，所述吸附气体分离系统可以在一高于常压的升高的压力下从燃料燃烧器(例如从组合式循环气体涡轮的所述HRSG的排气中或从不带HRSG的燃气涡轮的涡轮排气中)接收燃烧气体，以提供足够的压力，来供应和驱动燃烧气体穿过吸附气体分离系统。所述燃烧气体可以以适当的超大气压诸如高于大气压约10kPa(千帕)提供给吸附气体分离系统。在足够高的压力下提供燃烧气体以提供燃烧气体穿过所述吸附分离系统的驱动可以理想地允许减少或移除气体分离系统中相关的、用于移动所述燃烧气流穿过所述吸附气体分离系统的辅助设备，例如通风机或其他压缩设备，这可以理想地减少集成式吸附气体分离系统和燃料燃烧器的资金成本和/或能耗。
在又一实施例中，本发明的集成式吸附气体分离方法和系统可以特别适于与一天然气组合式燃气涡轮发电机相结合，其包括至少部分循环从所述燃烧气流中吸附的二氧化碳到所述燃气涡轮，可以理解，可以结合其他的现有技术的气体分离技术。
在此描述了本发明的示例性选实施例并不意在穷举或限制本发明的精确形式，它们选来解释本发明的原理、使用和实际应用，以帮助本领域技术人员理解本发明的教导。
根据上面公开的内容，本领域技术人员显然可以理解，可以进行多种变动、变化和替代而不背离本发明范围。因此，本发明的范围应当由后附的权利要求限定的内容解释。

Claims (12)

1.一种集成式吸附气体分离方法，用于分离源自燃料燃烧器的燃烧气流的至少一部分，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述方法包括以下步骤：
(a)允许一燃料流进入一燃料入口并允许氧化剂流进入所述燃料燃烧器的一氧化剂入口，以产生所述燃烧气流；
(b)允许所述燃烧气流进入一吸附气体分离系统，所述吸附气体分离系统带有至少一吸附剂接触器，每一吸附剂接触器包括用于吸附所述二氧化碳组分的至少一吸附材料；
(c)允许所述燃烧气流进入至少一所述吸附剂接触器；
(d)在所述至少一吸附材料上吸附所述燃烧气流的所述二氧化碳组分的至少一部分；
(e)从至少一所述吸附剂接触器回收一第一产品流，所述第一产品流相对所述燃烧气流消耗了所述二氧化碳组分；
(f)回收下列至少一个：所述燃烧气流中的水组分的至少一部分和一产品流中的水组分的至少一部分，作为冷凝流以形成一解吸流体流的至少一部分；
(g)允许一定量的所述解吸流体流进入至少一所述吸附剂接触器，所述量足以解吸吸附在至少一所述吸附剂接触器的所述二氧化碳组分的至少一部分；
(h)解吸吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分；和
(i)在至少一所述吸附剂接触器回收一第二产品流，所述第二产品流相对所述燃烧气流富集所述二氧化碳组分。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括在步骤(f)冷凝所述水组分的至少一部分以形成所述冷凝流。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括在步骤(f)允许所述冷凝流进入一热交换器，以形成所述解吸流体流的至少一部分。
4.一种吸附气体分离方法，用于分离气流的至少一部分，所述气流包括至少二氧化碳和水组分，所述方法包括以下步骤：
(a)允许所述气流进入一吸附剂接触器，所述吸附剂接触器具有至少一吸附材料，用以吸附所述二氧化碳组分；
(b)在至少一所述吸附材料上吸附所述气流的所述二氧化碳组分的至少一部分；
(c)从所述吸附剂接触器回收一第一产品流，所述第一产品流相对所述气流消耗了所述二氧化碳组分；
(d)解吸吸附在所述所述吸附剂接触器的至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第一部分；
(e)从所述吸附剂接触器回收富集所述二氧化碳组分的一第二产品流；
(f)解吸吸附在所述所述吸附剂接触器的至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分；
(g)从所述吸附剂接触器回收一第三产品流，所述第三产品流包括所述二氧化碳组分的所述第二部分。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，还包括在步骤(c)和(d)之间中止所述气流进入所述具有至少一吸附材料的所述吸附剂接触器。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，还包括密封所述吸附剂接触器。
7.根据权利要求4的方法，其特征在于，在步骤(f)所述二氧化碳的所述第二部分包括以下至少一个：不低于一半的吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分，和三分之二的吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分。
8.根据权利要求4的方法，其特征在于，在步骤(e)和步骤(g)至少一个中的所述解吸包括通过加热至少一所述吸附材料来解吸。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，加热至少一所述吸附材料包括电阻加热、解吸流体加热和调节流体加热中的至少一个。
10.根据权利要求4的方法，其特征在于，在步骤(d)控制和允许一气流作为一解吸流进入所述吸附剂接触器，使得在步骤(e)中所述第二产品流包括一混合流，所述混合流的二氧化碳浓度不低于97％、90％、70％和50％中至少一个。
11.根据权利要求4的方法，其特征在于，还包括在步骤(a)之前允许所述气流进入一具有多个吸附接触器的吸附气体分离系统。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，步骤(c)、(e)和(g)在具有多个所述吸附接触器的所述吸附气体分离系统同步进行。
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