CN107073388B - 用于二氧化碳捕集的节能溶剂的再生方法 - Google Patents

用于二氧化碳捕集的节能溶剂的再生方法 Download PDF

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Abstract

从负载有二氧化碳的溶剂中去除二氧化碳的方法使用哈希装置的两阶段。二氧化碳在第一阶段在较高的温度和压力下从溶剂中闪蒸出，在第二阶段在较低的温度和压力下从溶剂中闪蒸出，并供给至多阶段压缩列以高压液化。由于供给至压缩列的二氧化碳中的一些已经处于压力下，因此与现有的方法相比，需要较小的能量进一步将二氧化碳压缩至液体状态。

Description

用于二氧化碳捕集的节能溶剂的再生方法
本发明根据美国能源部授予的合同号DE-FE 0012829在政府支持下完成。政府对本发明拥有某些权利。
技术领域
本发明涉及用于从负载有二氧化碳的溶剂中去除二氧化碳从而再生该溶剂的节能方法。
背景技术
许多化学和工业过程产生负载有酸性气体的流体流。酸性气体的去除通常需要满足环境法规和/或满足下游过程的要求。当前用于去除酸性气体的方法包括在吸收塔中通过再生溶剂逆流吸收，其中，酸性气体向上流动，液体吸收再生溶剂向下流动。离开吸收塔底部的富含酸性气体的液体溶剂在交叉热交换器中加热并通过交叉热交换器送至解吸器。在填充塔式解吸器或板式塔式解吸器中，通过使酸性气体富集的溶液以逆流方向与蒸汽接触而从该酸性气体富集的溶液中除去酸性气体。来自解吸器底部的少酸性气体的溶液的一部分循环通过再沸器，在其中利用辅助蒸汽部分地气化胺溶液，其在解吸器中蒸汽冷凝而提供胺再生所需的热以释放酸性气体。离开解吸器顶部的水饱和的热酸性气体流冷却以收集冷凝水。酸性气体残余物优选被压缩而用于高压储存以防止大量酸性气体释放至大气中。
再生液体溶剂例如包括：化学溶剂例如伯胺、仲胺、叔胺和碳酸钾；物理溶剂例如DEPG或二甲醚聚乙二醇(SelexolTM或Coastal
Figure BDA0001286319870000011
)、NMP或N-甲基-2-吡咯烷酮
Figure BDA0001286319870000013
甲醇
Figure BDA0001286319870000014
吗啉衍生物
Figure BDA0001286319870000012
和碳酸丙烯酯(FluorSolventTM)。Shell
Figure BDA0001286319870000015
方法是一种混合式方法，其使用物理溶剂环丁砜和化学溶剂二异丙醇胺(DIPA)或甲基二乙醇胺(MDEA)的组合。物理溶剂和化学溶剂其中之一分别占溶液的约35％至45％，平衡剂为水。酸性气体例如包括：二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、二硫化碳、氰化氢和羰基硫。由于对CO2排放造成的气候变化的关注，从化石燃料发电厂等大型点源捕集废二氧化碳的方法引起人们极大的兴趣。从2012年至2035年，在美国化石燃料燃烧所产生的CO2的量预期将从约56至58亿公吨增加3.2％，其中超过30％的CO2产自燃煤电力行业。因此，为应对全球气候变化的关注，并将美国温室气体排放从2005年基线，至2020年减少17％，至2050年减少83％，很可能针对燃煤电厂进行联邦立法。此外，对于传统方法而言，由于在后续的压缩工序中二氧化碳需要从仅稍高于大气压力的起始压力压缩并液化而需要消耗高能量，因此回收二氧化碳的成本非常高。
需要或期望有一种有效、更具成本效益的方式从负载有二氧化碳的溶剂中去除二氧化碳并结合后续的二氧化碳压缩工序，减少所需的总能量。
发明内容
本发明涉及一种从负载有二氧化碳且具有第一二氧化碳含量的溶剂中去除二氧化碳的方法。该方法包括如下步骤：将负载有二氧化碳的溶剂加热至第一温度并将第一压力施加至所述负载有二氧化碳的溶剂；将所述负载有二氧化碳的溶剂供给至第一阶段高温高压闪蒸装置；在第一阶段闪蒸装置中，从负载有二氧化碳的溶剂中闪蒸出二氧化碳以得到具有比第一二氧化碳含量低的第二二氧化碳含量的第一处理后溶剂，以及第一含二氧化碳气流；以及从第一阶段闪蒸装置去除第一含二氧化碳气流。该方法还包括如下步骤：将第一处理后溶剂于比所述第一温度低的第二温度和比所述第一压力低的第二压力下供给至第二阶段闪蒸装置；在第二阶段闪蒸装置中，从第一处理后溶剂中闪蒸出二氧化碳以得到具有比第二二氧化碳含量低的第三二氧化碳含量的第二处理后溶剂，以及第二含二氧化碳气流；从第二阶段闪蒸装置去除第二含二氧化碳气流；以及从第二阶段闪蒸装置去除第二处理后溶剂。
更简洁而言，本发明的方法包括如下步骤：在第一阶段闪蒸装置中，从负载有二氧化碳的溶剂中闪蒸出二氧化碳以得到具有比第一二氧化碳含量低的第二二氧化碳含量的第一处理后溶剂；在第二阶段闪蒸装置中，从第一处理后溶剂中闪蒸出二氧化碳以得到具有比第二二氧化碳含量低的第三二氧化碳含量的第二处理后溶剂。
考虑到上述情况，本发明的特征和优点是提供用于溶剂再生(例如从负载有二氧化碳的溶剂中去除二氧化碳)和后续压缩至高压的有效果的、有效率的方法。从下面结合附图的本发明的详细描述中，上述和其它特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1概要性示出根据本发明的两阶段溶剂再生过程。
图2概要性示出用于压缩和液化由两阶段溶剂再生过程产生的二氧化碳的多阶段压缩列。
具体实施方式
参照图1，示出从负载有二氧化碳的溶剂中去除二氧化碳的两阶段溶剂再生过程。使用泵104将负载有二氧化碳的溶剂流102加压，并使用热交换器106将其加热，然后将其供给至第一阶段闪蒸装置108。第一压力适当地为至少约四个大气压，或至少约八个大气压，或至少约十个大气压。第一温度适当地为至少约125℃，或至少约135℃，或至少约145℃。第一阶段闪蒸装置可以是直流式再沸器，或另一合适的具有加热元件的闪蒸装置。
负载有二氧化碳的溶剂流102可具有第一二氧化碳含量(任何去除二氧化碳的处理之前)，其范围为按重量计约1-12％，适宜地按重量计至少约8％，根据具体溶剂和具体应用可以更高或更低。合适的溶剂包括但不限于：氨水，基于胺的溶剂例如单乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺，碳酸钾水溶液，以及其它已知溶剂。一种合适的溶剂是活化的N-甲基二乙醇胺(“aMDEA”)，其含有哌嗪活化剂。
在第一阶段闪蒸装置108中，从负载有二氧化碳的溶剂中闪蒸出二氧化碳，以得到具有的比第一二氧化碳含量低的第二二氧化碳含量的第一处理后溶剂，以及第一含二氧化碳气流。第一含二氧化碳气流110离开第一阶段闪蒸装置108，并供给至冷凝器112，冷凝器112将水蒸汽冷凝并将水蒸汽与二氧化碳气体分离。二氧化碳气流114离开冷凝器112并可如下所述供给至多阶段压缩列的第二或第三压缩阶段的吸入侧。冷凝水流116离开冷凝器112并如下所述与冷凝水流128汇合。第一处理后溶剂流118离开第一阶段闪蒸装置108并于低于第一温度的第二温度和低于第一压力的第二压力下供给至第二阶段闪蒸装置120。
第一处理后溶剂具有的比第一二氧化碳含量低的第二二氧化碳含量，其适宜地比第一二氧化碳含量至少低约30％，或至少低约50％，或至少低约75％。作为示例，当第一二氧化碳含量按重量计为约8-12％时，第二二氧化碳含量按重量计可为约6％或更少，或按重量计约4％或更少，或按重量计约2％或更少。第二温度适宜地比第一温度至少低约5℃，或比第一温度至少低约15℃，或比第一温度至少低约25℃，并适宜地不高于约130℃，或不高于约120℃，或不高于约110℃。第二压力适宜地比第一压力至少低约50％，或比第一压力至少低约60％，或比第一压力至少低约75％，此处所述的所有压力均以绝对基准测量。例如，当第一压力为约6-10个大气压时，第二压力适宜地不高于约3个大气压，或不高于约1.5个大气压。
在第二阶段闪蒸装置120中，从第一处理后溶剂中闪蒸出二氧化碳，以得到具有比第二二氧化碳含量低的第三二氧化碳含量的第二处理后溶剂，以及第二含二氧化碳气流。第二含二氧化碳气流122离开第二阶段闪蒸装置120并供给至冷凝器124，冷凝器124将水蒸汽冷凝并将其与二氧化碳气体分离。二氧化碳气流126离开冷凝器124并如下所述供给至多阶段压缩列的第一压缩阶段。冷凝水流128离开冷凝器124，并在第二处理后溶剂流130离开第二阶段闪蒸装置120并通过交叉交换器106和冷却器125后加至第二处理后溶剂流130中。第二处理后溶剂流130与加至其中的冷凝水流128一起，变成流131，然后可使用溶剂泵132传输以形成流133以再利用于二氧化碳吸收过程或另一合适的应用。
可选但非必需地，第二处理后溶剂流130可供给至第三阶段闪蒸装置，其结构和运行与第二阶段闪蒸装置120类似，并可用相应的参考数字描述。同样地，离开第三阶段闪蒸装置的处理后溶剂流可根据需要供给至第四及后续的闪蒸装置，以将二氧化碳含量减少至非常低的水平。该过程可包括如下步骤：在第三阶段闪蒸装置120中，从第二处理后溶剂中，闪蒸出二氧化碳，以得到具有比第三二氧化碳含量低的第四二氧化碳含量的第三处理后溶剂和第三含二氧化碳气流；从第三阶段闪蒸装置去除第三含二氧化碳气流；以及从第三阶段闪蒸装置回收第三处理后溶剂。该第三处理后溶剂然后供给至具有相同结构120的第四阶段闪蒸装置。该过程可包括如下步骤：将第三处理后溶剂供给至第四阶段闪蒸装置；在第四阶段闪蒸装置中，从第三处理后溶剂中闪蒸出二氧化碳，以得到具有比第四二氧化碳含量低的第五二氧化碳含量的第四处理后溶剂和第四含二氧化碳气流；从第四阶段闪蒸装置去除第四含二氧化碳气流；以及从第四阶段闪蒸装置回收第四处理后溶剂。
第二阶段闪蒸装置120可以是标准闪蒸罐或另一合适的闪蒸装置。第二处理后溶剂具有比第二二氧化碳含量低的第三二氧化碳含量，并适宜地比第二二氧化碳含量至少低约 30％，或至少低约50％，或至少低约90％。例如，当第二二氧化碳含量按重量计为约2-6％时，第三二氧化碳含量按重量计可不高于约4.0％，或按重量计不高于约1％或按重量计不高于约0.2％。
图2示出用于将回收的二氧化碳(例如，流114和流126，图1)压缩至更高的压力或液体状态的六阶段压缩列200的
Figure BDA0001286319870000041
模型。压缩列200包括：第一阶段压缩泵202，适宜地为活塞泵；第一阶段冷却器204；第二阶段压缩泵206；第二阶段冷却器208；第三阶段压缩泵210；第三阶段冷却器212；第四阶段压缩泵214，第四阶段冷却器216；第五阶段压缩泵218；第五阶段冷却器220；以及第六阶段压缩泵222。压缩泵202、206、210、 214、218、222分阶段将二氧化碳从对应于二氧化碳流114、126的压力的起始压力(图1) 压缩至足以将二氧化碳维持在完全液体状态的液化压力(例如，约150个大气压或 2200psia)。冷却器204、208、212、216、220在各阶段将压缩的二氧化碳冷却，适宜地，冷却至约室温。
源自第一阶段闪蒸装置108的二氧化碳流114(图1)通常具有与多阶段压缩列的第二或第三阶段的吸入侧压力相似的压力，适宜地为至少约6个大气压，或至少约8个大气压，或至少约10个大气压，并因冷凝器112而具有为室温或稍高于室温的温度。由于二氧化碳流114已经具有比多阶段压缩列的第一阶段吸入侧压力显著高的压力，其无需在第一阶段压缩泵210处进入压缩列200，而代替地可在第二阶段压缩泵214处和/或第三阶段压缩泵 218处进入。其结果是，相较于现有的二氧化碳回收方法(需要将全部量的二氧化碳供给至第一阶段压缩泵202，其通常不高于2个大气压，适宜地不高于1.5个大气压)，可显著节省能量和节省成本。
源自第二阶段闪蒸装置120的二氧化碳流126通常具有与上述第二压力相似的压力，通常不高于2个大气压，适宜地不高于1.5个大气压，并因冷凝器124而具有为室温或稍高于室温的温度。由于其较低的压力，二氧化碳流126可适宜地在第一阶段压缩泵202引至压缩列200。然而，由于二氧化碳流126仅代表了从流114、126进入压缩列200的总二氧化碳的一小部分，因此，与将所有的回收的二氧化碳供给至压缩列的第一阶段的现有二氧化碳回收方法相比，仍可显著节省总能量和成本。实际上，来自第二阶段闪蒸装置120的流 126所产生的二氧化碳的量可为总二氧化碳的约20-60％，而来自第一阶段闪蒸装置108的流114所产生的二氧化碳的量可为总二氧化碳的约30-80％。
实施例
使用图1所示的两阶段闪蒸再生过程和图2所示的六阶段压缩列，从含有按重量计8％的活化剂并具有按重量计5％至8％的原始二氧化碳负载量的aMDEA溶剂中去除二氧化碳。将负载有二氧化碳的溶剂供给至第一阶段闪蒸装置，即直流式再沸器，其具有三组温度和压力条件：1)140℃和8.16个大气压，2)130℃和6.8个大气压，3)120℃和5.44个大气压。对于每一运行，使用所示的压缩列(图2)将回收的二氧化碳压缩并液化。将产自第一阶段直流式再沸器的二氧化碳供给至压缩列的第二或第三阶段。将产自第二阶段闪蒸罐的二氧化碳供给至压缩列的第一阶段。记录整个压缩所需的电力，并将其与将相应量的产自现有的解吸塔并整体供给至压缩列的第一阶段的二氧化碳压缩并液化所需的电力对比。
表1示出了
Figure BDA0001286319870000052
模拟结果。如表1所示，进入第一阶段再沸器的负载有二氧化碳的溶剂的第一温度和第一压力越高，与产自现有的解吸塔的二氧化碳相比，压缩所需的电力节省越多；
表1
Figure BDA0001286319870000051
本文所描述的本发明的实施方式目前是优选的。在不脱离本发明的宗旨和范围的情况下，可以进行各种修改和改进。本发明的范围由所附权利要求限定，并且落入等同物的含义和范围的所有变化都意在包含在其中。

Claims (6)

1.一种从负载有二氧化碳且具有第一二氧化碳含量的溶剂中去除二氧化碳的方法，包括如下步骤：
将第一压力施加至所述负载有二氧化碳的溶剂并将所述负载有二氧化碳的溶剂加热至第一温度，所述第一温度为至少135℃，且所述第一压力为8-10个大气压；所述负载有二氧化碳的溶剂包括选自由氨水、基于胺的溶剂、碳酸钾水溶液以及它们的组合组成的组中的溶剂；
将所述负载有二氧化碳的溶剂供给至第一阶段闪蒸装置；
在所述第一阶段闪蒸装置中，从所述负载有二氧化碳的溶剂中闪蒸出二氧化碳，以得到具有比所述第一二氧化碳含量低的第二二氧化碳含量的第一处理后溶剂，以及第一含二氧化碳气流；
从所述第一阶段闪蒸装置去除所述第一含二氧化碳气流；
将所述第一处理后溶剂于比所述第一温度低的第二温度和比所述第一压力低的第二压力下供给至第二阶段闪蒸装置；
在所述第二阶段闪蒸装置中，从所述第一处理后溶剂中闪蒸出二氧化碳，以得到具有比所述第二二氧化碳含量低的第三二氧化碳含量的第二处理后溶剂，以及第二含二氧化碳气流；
从所述第二阶段闪蒸装置去除所述第二含二氧化碳气流；以及
从所述第二阶段闪蒸装置回收所述第二处理后溶剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阶段闪蒸装置包括再沸器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二阶段闪蒸装置包括闪蒸罐。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载有二氧化碳的溶剂包括活化的N-甲基二乙醇胺。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
将所述第一含二氧化碳气流供给至多阶段压缩列的第二阶段；
将所述第二含二氧化碳气流供给至所述多阶段压缩列的第一阶段；以及
压缩所述第一含二氧化碳气流和所述第二含二氧化碳气流。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
将所述第一含二氧化碳气流供给至多阶段压缩列的第三阶段；
将所述第二含二氧化碳气流供给至所述多阶段压缩列的第一阶段；以及
压缩所述第一含二氧化碳气流和所述第二含二氧化碳气流。
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