CN107008105B - 二氧化碳捕集过程的水洗方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种在吸收塔(100)中从脱碳烟气中回收溶剂的系统和方法，所述脱碳烟气(120)已经通过与含有溶剂的二氧化碳吸收溶液(119)进行气‑液接触吸收并除去了二氧化碳。所述系统包括排放控制区(114)，其配置成将基本不含溶剂的水流(122)与脱碳烟气(120)接触，以从脱碳烟气(120)中回收溶剂并且以形成含溶剂洗水(160)和含降低溶剂的烟气(124)；以及烟气冷却区(116)，其配置成将冷却的洗水(132)与含降低溶剂的烟气(124)接触，以冷却含降低溶剂的烟气(124)并从脱碳烟气中冷凝水，籍此形成冷却的烟气(125)和用过的洗水。

Description

二氧化碳捕集过程的水洗方法和系统
本申请是以下申请的分案申请：申请日：2011年1月10日；申请号：201180006185.1(PCT/US2011/020631)；发明名称：“二氧化碳捕集过程的水洗方法和系统”。
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年1月14日提交的美国临时专利申请号61/294,971的优先权，其全文通过引用结合到本文中。
技术领域
本公开涉及一种用于二氧化碳(CO2)捕集过程的水洗系统。更具体而言，本公开涉及一种在二氧化碳吸收之后洗涤烟气以减少溶剂排放量并维持水平衡(neutrality)的系统及方法。
背景技术
从空气污染控制和环境问题的角度来看，需要降低来自煤炭、石油及其他碳燃料燃烧产生的二氧化碳(CO2)排放的量及浓度。为了该目的，目前正在开发从这类燃烧产生的烟气(通常也称为“排气”)中除去二氧化碳的方法。其中一种方法使用溶剂的水溶液从烟气中吸收二氧化碳。溶剂的实例包括含胺溶液。胺的实例包括但不限于例如烷醇胺、单乙醇胺等及其组合和/或混合物，以下称作“胺”或“胺化合物”。
美国专利第5318758号提供了一种利用胺除去二氧化碳的基于溶剂的方法的实例，其全文通过引用结合到本文中。该专利提出了一种方法，该方法在吸收塔内使用胺化合物的水溶液作为从烟气中吸收二氧化碳的溶液来进行脱碳。
概括地讲，从烟气中除去二氧化碳的基于溶剂的方法包括将由燃气供应风机提供的烟气经冷却塔冷却，然后送入吸收塔。在吸收塔的二氧化碳吸收区，进入的烟气与吸收溶液逆流接触，该吸收溶液经由至少一个喷嘴通过吸收溶液供应口供应。因此，烟气中的CO2由吸收溶液吸收并除去。已吸收了CO2的带载吸收溶液通过吸收溶液排放泵经吸收溶液排放口送往再生塔。在再生塔中，带载吸收溶液得到再生，并通过吸收溶液供应口再次进入吸收塔。
大多数基于溶剂的CO2捕集方法都涉及溶剂与烟气之间的放热反应，其导致吸收塔中的温度分布。取决于工艺参数，塔中最高温度(也称为“温度峰值(temperaturebluge)”)可能在吸收塔的顶部、底部或中部。由于该温度升高，沿塔在该过程中会出现一些溶剂损失。这些溶剂损失主要通过离开吸收塔顶的脱碳烟气发生。
在采用化学溶剂例如胺的CO2捕获方法中，在吸收塔顶可以包括洗涤区以减少这种排放损失。脱碳烟气在吸收塔顶的洗涤区与洗水接触，洗水从气相中捕获一些溶剂并回收到液相中。液相的该回收溶剂可以直接用于CO2吸收过程或者送往溶剂补充区。
取决于CO2吸收塔上游的气体分离过程，进入吸收塔的烟气大多是饱和的。为了保持溶剂的能力，重要的是使运行该过程时没有任何溶剂损失以及水的累积。吸收塔中任何过量水的累积将稀释溶剂浓度，这将影响其传质特性和沿塔的局部压力变化。因此，重要的是要确保进入和离开该过程的水量非常接近，被称为“水平衡(water neutrality)”。先前已知并作描述的洗涤区没有提供降低的溶剂平衡。本文所述的方法和系统看来至少解决了这些问题。
概述
根据本文中陈述的各方面，提供了一种在吸收塔的水洗区中从脱碳烟气中回收溶剂的方法，所述脱碳烟气已经通过在吸收塔中与含有溶剂的二氧化碳吸收溶液进行气-液接触吸收并除去了二氧化碳，所述方法包括：将基本不含溶剂的水流在吸收塔的排放控制区与脱碳烟气逆流接触，以从脱碳烟气中回收溶剂以形成含溶剂洗水和含降低溶剂的烟气；和将冷却的洗水在吸收塔的烟气冷却区与含降低溶剂的烟气逆流接触，以冷却含降低溶剂的烟气，籍此形成冷却的烟气和用过的洗水。
根据本文中陈述的另一个方面，提供了一种在吸收塔中从脱碳烟气中回收溶剂的系统，所述脱碳烟气已经通过与含溶剂的二氧化碳吸收溶液进行气-液接触吸收并除去了二氧化碳，所述系统包括：排放控制区，其配置成将基本不含溶剂的水流与脱碳烟气接触，以从脱碳烟气中回收溶剂并且以形成含溶剂洗水和含降低溶剂的烟气；和烟气冷却区，其配置成将冷却的洗水与含降低溶剂的烟气接触，以冷却含降低溶剂的烟气并且从脱碳烟气中冷凝水，籍此形成冷却的烟气和用过的洗水。
将通过下图及详细描述举例说明上面描述的特征及其他特征。
附图简要说明
来看附图，其中在不同附图中类似的项目编号相同：
图1描述了根据本文所述的一个实施方案的具有水洗区的CO2吸收塔；
图2描述了根据本文所述的一个实施方案的具有水洗区的CO2吸收塔。
详细描述
图1示出了具有至少一个吸收剂床110和水洗区112的吸收塔100。在该配置中，水洗区112分为至少两个区，即，排放控制区114和烟气冷却区116。
烟气118提供给吸收塔100并上行吸收塔长度L的至少一部分。在至少一个吸收剂床110中，通过将烟气118与CO2吸收溶液119以逆流方式接触来吸收烟气118中存在的二氧化碳(CO2)。在一个实施方案中，CO2吸收溶液119为含胺溶液。胺的实例包括但不限于例如烷醇胺、单乙醇胺等及其组合和/或混合物，以下称为“胺”或“胺化合物”。含胺溶液也可包括促进剂，以增强氨化溶液捕集CO2中所涉及的化学反应动力学。例如，促进剂可包括胺(例如哌嗪)或酶(例如碳酸酐酶或其类似物)，其可以溶液或固定在固体或半固体表面上的形式。
从烟气118中除去CO2产生了脱碳烟气120。脱碳烟气120包含，例如，一定量的蒸气形式的CO2吸收溶液(以下称为“溶剂”)。例如，脱碳烟气120可含有一定量的蒸气形式的胺溶剂。
为了吸收并籍此除去或减少脱碳烟气120中的溶剂量，脱碳烟气120上行吸收塔100长度L的至少一部分并遇到水洗区112。如图1所示，脱碳烟气120遇到排放控制区114，排放控制区114促进从脱碳烟气中减少或除去溶剂。
排放控制区114包括水流122(也称作“补充水”)。水流122相对地不含污染物和杂质，例如溶剂，并促进从脱碳烟气120中吸收溶剂。尽管图上未示出，但仍考虑到将水流122用于该过程本身内的任何地方，例如再生器冷凝器等。
当脱碳烟气120上行吸收塔100长度L的至少一部分时，脱碳烟气与水流122以逆流方式接触，而水流下行吸收塔的至少一部分。
由于水流122相对地不含污染物和杂质，脱碳烟气120与水流之间的溶剂(如胺)浓度梯度高，导致从脱碳烟气中吸收溶剂并形成含降低溶剂的烟气124。离开排放控制区114的含降低溶剂的烟气124几乎没有任何溶剂，从而降低了气相溶剂损失。由于这种高浓度梯度，用于排放控制区114的水循环速率非常低。这反过来又影响离开排放控制区114的烟气124的温度。
在烟气排放控制区114中脱碳烟气120的入口温度与含降低溶剂的烟气124的出口温度之间具有微小(minimal)变化。因此，为了冷却含降低溶剂的烟气124的温度并从中除去过量的水，将烟气124提供给烟气冷却区116，在这里烟气124与水接触形成冷却的烟气125。通过烟气冷却区116还促进了水平衡的维持，即，保持离开吸收塔100的水量与引入吸收塔的水量相同或相近。烟气124通过上行吸收塔100长度L的至少一部分提供给烟气冷却区116。
在烟气冷却区116，溶剂排放控制极小(vety minimal)，因此，来自烟气冷却区116的用过的洗水126可用于吸收塔100中的其他地方或用于从烟气中除去污染物的整个过程中的其他地方。
仍来看图1，在一个实施方案中，烟气冷却区116包括液体分配器128。液体分配器128可包括，例如，在吸收塔100内分布洗水132的具有喷嘴等的歧管130，以及液体分配板134等，以进一步在吸收塔内分配洗水。
烟气冷却区116也可包括布置在液体分配器128下方的传质装置136，诸如填料塔盘、塔板等。如图1所示，传质装置136位于液体分配板134的下方。烟气冷却区116也可包括收集装置138，如布置在传质装置136下方的集液板，其用于收集下行吸收塔100长度L的至少一部分的洗水132。收集装置138向集液槽140提供洗水，在集液槽中洗水作为用过的洗水126取出。
泵142与收集装置138的集液槽140流体连通(例如，通过管线(piping)、管子(tubing)、管道系统(ductwork)等)。泵142促进由收集装置138收集的水的除去并提供给集液槽140。
换热器144与泵142流体连通，并且配置成降低用过的洗水126的温度以形成冷却液145。如图1所示，至少一部分冷却液145在烟气冷却区116内循环。在一个实施方案中，如图1所示，冷却液补给提供给烟气冷却区116的洗水132。在这方面该系统不限于此，因为考虑到洗水132可全部由冷却液145组成。
继续看图1，将支线146布置成与泵142及收集装置138流体连通。设置支线146的目的是可冷却比全部量少的用过的洗水126并将其返回烟气冷却区116。例如，一部分用过的洗水126可提供给换热器144，并且一部分取出液可提供给支线146。在一个实施例中，用过的洗水126的50％提供给换热器144，用过的洗水的50％提供给支线146。
支线146可包括一个或多个控制阀148或其他流量控制装置，以调节从水洗系统112除去的用过的洗水126的量，或以调节流过支线的用过的洗水量。提供给支线146的用过的洗水126可送到贫溶剂补给罐(未示出)或吸收塔100的顶部(未示出)。由于用过的洗水126几乎不含至不含胺溶剂，其也可用于整个烟气处理系统内的其他地方。
与烟气净化区116类似，排放控制区114也包括收集装置150来收集排放控制区中的洗水。收集装置150布置在物料输送装置152与吸收溶液分配器154之间。吸收溶液分配器154促进CO2吸收溶液119在整个吸收剂床110的分配。当烟气118上行吸收塔100长度L的至少一部分并且CO2吸收溶液反方向行进时，CO2吸收溶液119以逆流方式与烟气118接触。
再来看图1中的排放控制区114，液体分配器156(也称作流体分配装置)布置在吸收塔100内并且与水流122的源头流体连通。液体分配器156配置成在排放控制区114内分配水流122。
支线158布置成与收集装置150的集液槽160流体连通。支线158可与支线146流体连通，并可包括一个或多个控制阀162或流量控制装置，以调节从排放控制区114取出的含溶剂洗水161的量。来自排放控制区114的含溶剂洗水161可送到贫溶剂补给罐(未示出)或吸收塔100的顶部，或用于整个系统内以除去烟气中的污染物。
控制器164可与一个或多个上述部件连通。控制器164可以是，例如，通用计算机、特定应用的集成电路、或气动、电动或机械控制器。控制器164可配置成自动调节一个或多个系统参数来控制溶剂排放并维持水洗系统112或整个二氧化碳除去系统中的水平衡。例如，如图1所示。控制器164可与换热器144、泵142或流动控制阀148和162连通。该系统在这方面不加限制，因为控制器164可与其他部件连通。
在一个实施方案中，控制器164可配置成通过调节与脱碳烟气120接触的水流122的量来调节被水洗系统112回收的溶剂如胺的量。例如，如果控制器164确定溶剂排放或系统溶剂损失达到或超过预定阈值时，控制器164可采取行动增加添加到排放控制区114的水流122的量。
在另一个实施方案中，控制器164也可配置成通过调节在烟气冷却区116中与脱碳烟气120接触的洗水132的温度来控制水平衡，籍此调节从含降低溶剂的烟气124中除去的水量。例如通过评估或确定添加到水洗区112(为了水洗平衡)或整个CO2系统(为了系统平衡)的水流122的量并与从烟气冷却区116除去(例如通过泵142或支线146)的水量比较，也可以控制水平衡。
根据通过控制器164进行比较，控制器可提高或降低洗水132的温度(例如，通过调节至换热器144的洗水的流动)，以调节从含降低溶剂的烟气124中除去的水量，且籍此将水平衡维持在所需范围内。控制器164可能够测量或确定吸收塔100中收集的溶剂浓度，例如，如果溶剂浓度达到一定阈值，则调节洗水的温度。
在另一个实施方案中，控制器164也可以通过调节一个或多个流量控制阀148或泵142来控制提供给支线146的用过的洗水126的量。
排放控制区114的液体分配器156可包括例如在塔内分布水流122的具有喷嘴等的歧管166，以及液体分布板168等，以进一步在塔100内分配洗水。
在另一个实施方案中，如图2所示，吸收塔100包括洗涤区112以及如上文详细描述的相关部件，该吸收塔配置成将至少一部分用过的洗水循环到烟气冷却区116，并且将至少一部分取出的液体提供给排放控制区114。
如图2所示，集液槽140与泵142流体连通，泵142从集液槽140中取出用过的洗水126。取出后，至少一部分用过的洗水126如上详述提供给换热器144。另一部分用过的洗水126提供给排放控制区114。
可通过打开或关闭控制阀170来控制提供给排放控制区114的用过的洗水126的量，控制阀位于烟气冷却区116与排放控制区114之间。控制阀170可手动或自动操作。控制阀170可与控制器164连通，控制器164可以基于与由本文所述其他源头提供给排放控制区114的洗水量相关的信息、读数或信号来关闭或打开控制阀170。
由于含降低溶剂的烟气124的溶剂非常少至无溶剂，与烟气124接触的用过的洗水126的溶剂浓度非常低。因此，用过的洗水126可在烟气冷却区116中再循环来再利用或提供给排放控制区114。用过的洗水126的再利用可减少以水流122和洗水132形式提供给吸收塔的新鲜水的量。
增加提供给排放控制区114的水量促进了与脱碳烟气120逆流接触的水的适当循环和分配。通过维持排放控制区114中水的适当循环和分配，可从脱碳烟气120中除去所需量的溶剂。通过向排放控制区提供用过的洗水126可以实现排放控制区114中水的维持和适当循环。这些努力不会增加与向排放控制区提供新鲜水(例如水流122)相关的费用。
为了进一步减少提供给排放控制区114的水流122的量，用泵172从集液槽160取出到支线158中的至少一部分含溶剂洗水161可再循环并提供给排放控制区的顶部。
如图2所示，支线158中的至少一部分含溶剂洗水161经管线174引导到与至少一部分用过的洗水126合并，以形成循环液体176。循环液体176经歧管166引入排放控制区114顶部。一旦引入排放控制区114，循环液体176与水流122一起下行吸收塔100的至少长度L，籍此从脱碳烟气120中吸收溶剂以形成烟气124。
提供给排放控制区114的含溶剂洗水161的量可由控制阀178调节。如图2所示，控制阀178布置在管线174中，然而，考虑了控制阀178可布置在支线158中。控制阀178可与控制器164连通，控制器164可以基于本文所述其他源头提供给排放控制区114的洗水量相关的信息、读数或信号来关闭或打开控制阀178。
上述实施方案在下面的实施例中举例说明，提供这些实施例用于举例说明公开的实施方案的某些方面。提供这些实施例并不以任何方式来限制实施方案。
实施例
实施例1
为了说明图1所示系统的有效性，进行模拟来表明对溶剂排放和水平衡的影响。将来自约260兆瓦(兆瓦电能)褐煤燃烧发电厂的含90％CO2的烟气用于该模拟。假设所需的溶剂排放是约2百万分之一体积(ppmv)。基于入口烟气条件，为了获得水平衡，计算出烟气出口温度为约112华氏度(°F)。该模拟包括含胺吸收溶液。
下表说明了与常规方法(即只有一个洗水床)相比较图1所示系统的影响。对于常规方法而言(情形1，见下文)，如果通过维持更接近的出口气体温度来调节循环以提供水平衡，则无法实现溶剂的排放控制(9ppmv vs 2ppmv)。另一方面，如果调节循环速率来获得约7ppmv的溶剂排放(情形3)，则出口温度不能满足水平衡的要求。图1所示系统实现了溶剂排放控制和水平衡二者。
表1：传统方案与新水洗方案的比较
实施例2
为了说明图2所示系统的有效性，进行模拟来表明对溶剂排放和水平衡的影响。将图2的系统与常规系统(即只有一个洗水床的系统)以及图1的系统进行比较。
对于常规流动方案(情形4，见下文)，如果通过维持更接近的出口烟气温度来调节循环以提供水平衡，则无法实现溶剂的排放控制(9ppmv v.2ppmv)。如果调节循环速率来得到约7ppmv的溶剂排放(情形5)，则烟气出口温度不能满足水平衡的要求。尽管利用图1的系统(情形6)实现了排放控制与水平衡二者，但是利用图2的系统(情形7)可以进一步降低溶剂排放率(emission rate)。
表2：常规系统与图1和2所示系统的比较
尽管本发明已参照各种示例性实施方案进行了描述，本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明范围的情况下，可以进行各种改变以及可以用等价物替代其要素。此外，在不偏离本发明基本范围的情况下，可以做出许多修改以使得特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明意图不限于作为实现本发明最佳方式而公开的特定实施方案，而是本发明包括落入随附权利要求书范围内的所有实施方案。

Claims (3)

1.一种在吸收塔(100)的水洗区(112)中从脱碳烟气(120)中回收溶剂的方法，所述水洗区(112)包含排放控制区(114)和烟气冷却区(116)，所述脱碳烟气(120)已经通过在吸收塔(100)中与含有溶剂的二氧化碳吸收溶液(119)进行气-液接触吸收并除去了二氧化碳，所述方法包括：
将新鲜的水流(122)提供给吸收塔(100)的排放控制区(114)，以和所述脱碳烟气(120)逆流接触，以从所述脱碳烟气(120)中回收溶剂，形成含溶剂洗水(161)和含降低溶剂的烟气(124)；和
将冷却的洗水(132)输送至所述吸收塔的烟气冷却区(116)中，与含降低溶剂的烟气逆流接触，以冷却所述含降低溶剂的烟气(124)，籍此形成冷却的烟气(125)和用过的洗水(126)，所述方法还包括：
用收集装置(138)收集所述用过的洗水，所述收集装置(138)布置在烟气冷却区(116)和排放控制区(114)之间，并且所述收集装置(138)将所述用过的洗水提供给集液槽(140)；
从所述集液槽(140)移出用过的洗水(126)；
通过打开或关闭布置在烟气冷却区(116)和排放控制区(114)之间的控制阀(170)，将部分移出的用过的洗水提供给排放控制区(114)，其中控制器(164)基于与提供给排放控制区(114)的洗水量相关的信息、读数或信号来关闭或打开控制阀(170)；
将剩余的移出的用过的洗水(126)提供给换热器(144)；
在换热器(144)中冷却所述移出的用过的洗水(126)，形成经冷却的洗水(132，145)，并将所述经冷却的洗水(132，145)提供给所述烟气冷却区(116)；
所述方法还包括在位于排放控制区(114)中的收集装置(150)中收集含溶剂的洗水(161)，通过支线(158，174)从所述收集装置(150)的集液槽(160)移出所述含溶剂的洗水(161)；
所述方法还包括通过液体分配器(166)，将循环液体(176)提供给所述排放控制区(114)的顶部，其中所述循环液体(176)包括至少部分从所述排放控制区(114)移出的含溶剂洗水(161)，以及与所述含溶剂洗水(161)直接混合的待提供给所述排放控制区(114)的部分所述用过的洗水，其中提供给所述排放控制区(114)的含溶剂洗水(161)的量通过布置于支线(158，174)上的控制阀(178)调节，其中控制器(164)基于与提供给排放控制区(114)的洗水量相关的信息、读数或信号来打开或关闭所述控制阀(178)。
2.根据权利要求1的方法，其中所述溶剂是含胺溶液。
3.根据权利要求1的方法，所述方法进一步包括：
将至少部分所述含溶剂的洗水提供给在所述吸收塔(100)中的吸收床(110)。
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