CN115768544A - 用低品位热从溶剂去除二氧化碳的方法和系统 - Google Patents

用低品位热从溶剂去除二氧化碳的方法和系统 Download PDF

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詹姆斯·霍尔
奥苏拉·拉梅什-库马尔
戈皮纳特·卡鲁普帕萨米
大卫·贝尔
理查德·马瑟
大卫·韦尔奇
里希·鲁帕里亚
格雷姆·邓恩
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Abstract

本发明涉及用于从溶剂中去除二氧化碳CO2的方法和系统。特别地，本发明涉及用于从富二氧化碳CO2溶剂中去除二氧化碳CO2的方法和系统。

Description

用低品位热从溶剂去除二氧化碳的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于用基于溶剂的系统从烟气流中去除二氧化碳(CO2)的方法和系统。特别地，本发明涉及用于溶剂再生和从富二氧化碳(CO2)溶剂流中去除二氧化碳(CO2)的方法和系统。
背景技术
来自发电厂和其它工业活动的烟气包含污染物，例如温室气体。一种这样的温室气体是CO2。工业活动排放CO2到大气中越来越受到社会的关注，并且因此日益受到管制。
为了减少释放到大气中的CO2的量，可以应用CO2捕获技术。CO2的选择性捕获允许CO2被再利用或地理隔离。
CN107970743 A公开了一种二氧化碳分离方法，其使用两塔多级吸收和解吸方法。CN1079743 A公开了低品位热用以使半贫溶剂快速再生的用途。然而，如CN1079743 A中公开的低品位热的用途不足以达到本文呈现的本发明的液体溶剂再生的水平。
本发明的CO2捕获方法涉及从烟气和工业气体(例如来自燃烧烃燃料的工厂的排放物)中捕获CO2。本发明的CO2捕获方法还可应用于从燃煤、燃气和燃油锅炉、联合循环发电厂、煤炭气化、制氢工厂、沼气工厂和废物-能量转化工厂捕获CO2。
已知的CO2捕获技术可以分为物理吸附剂和化学吸收剂(通常称为碳捕获溶剂)。
本发明的CO2捕获方法使用溶剂(即，碳捕获溶剂)。所述溶剂从一个或多个气流中去除CO2。气流中的CO2选择性地与溶剂中的组分反应，导致CO2被从气相中去除并被溶剂吸收以形成富CO2溶剂。然后加热所述富CO2溶剂，CO2释放回到气相中，并且所述富CO2溶剂耗尽其CO2含量，形成贫CO2溶剂。所述贫CO2溶剂在系统内再循环以捕获另外的CO2。
图1例示了用于从烟气中捕获CO2的常规方法和系统的方框图100。
在用于从烟气中捕获CO2的常规方法和系统中，使用溶剂(最初是贫CO2溶剂)从气体混合物中分离CO2，所述溶剂选择性地与CO2反应(以形成富CO2溶剂)。在CO2与溶剂(贫CO2溶剂)反应之后，可以使用热使溶剂(富CO2溶剂)再生(得到贫CO2溶剂)以释放CO2并使溶剂再生以用于进一步CO2处理。
如图1(指示现有技术方法和系统)中所示，含有CO2的烟气101进入系统。烟气101在进入系统时的温度典型地大于100℃。烟气101任选地穿过增压风机102。增压风机102增加烟气101的压力以补偿穿过系统的压降，由此确保所得贫CO2烟气(烟气107)的压力与烟气101的压力相同。
烟气101穿过直接接触冷却器103。在所述直接接触冷却器中，使烟气101以逆流配置与冷水104的再循环回路接触。通过这种接触，将烟气101冷却到典型地40℃的温度，形成烟气101a。
烟气101a进入吸收塔105，在其中烟气101a与液体溶剂106(冷的贫CO2溶剂)逆流接触。烟气101a上升穿过吸收塔105。液体溶剂106(冷的贫CO2溶剂)经由定位在吸收塔105顶部的液体分配器(图1中未示出)进入吸收塔105，并且级联向下穿过吸收塔105。吸收塔105包括填料以使表面积与体积比最大化。液体溶剂106(冷的贫CO2溶剂)中的活性组分与烟气101a中的CO2反应。
当液体溶剂106(冷的贫CO2溶剂)到达吸收塔105的底部时，其是富CO2的并形成液体溶剂108(冷的富CO2溶剂)。
当烟气101a到达吸收塔105的顶部时，其耗尽CO2并形成烟气107(贫CO2)。烟气107(贫CO2)从吸收塔105的顶部释放。
液体溶剂108(冷的富CO2溶剂)在再生器109中用高品位热再生，以再形成液体溶剂106(冷的贫CO2溶剂)。液体溶剂108(冷的富CO2溶剂)经由交叉式换热器110进入再生器109(高品位热)。在交叉式换热器110中，液体溶剂108(冷的富CO2溶剂)被液体溶剂111(热的贫CO2溶剂)加热以形成液体溶剂112(热的富CO2溶剂)。
液体溶剂112(热的富CO2溶剂)进入再生器109(高品位热)的顶部并级联向下经过再生器109(高品位热)。在再生器(高品位热)内部，液体溶剂112(热的富CO2溶剂)通过与蒸气114(高品位热)接触而被加热。典型地，蒸气114(高品位热)向上流动穿过再生器109(高品位热)，与液体溶剂112(热的富CO2溶剂)逆流。在加热时，液体溶剂的活性组分与CO2之间的反应逆转，释放CO2气体115并形成液体溶剂111(热的贫CO2溶剂)。
气态CO2 115离开再生器109(高品位热)的顶部。气态CO2 115可以用于下游工序中。
将液体溶剂111(热的贫CO2溶剂)进料到再沸器113(高品位热)中。在再沸器113(高品位热)内，液体溶剂111(热的贫CO2溶剂)沸腾，导致形成蒸气114(高品位热)。蒸气114(高品位热)用于再生器109(高品位热)。
液体溶剂111(热的贫CO2溶剂)进入交叉式换热器110，并通过与液体溶剂108(冷的富CO2溶剂)接触而冷却，以形成液体溶剂106(冷的贫CO2溶剂)。新形成的液体溶剂106(冷的贫CO2溶剂)现在准备好再次重复吸收工序。
液体溶剂106(冷的贫CO2溶剂)可以在进入吸收塔105之前经过另外的冷却器(未示出)。
在使用化学吸收剂的典型CO2捕获方法中，化学吸收剂的再生需要大量的能量。因此，化学吸收剂的再生是用于捕获CO2的最大操作成本之一。
需要一种在吸收剂变成富CO2化学吸收剂之后使吸收剂(即，液体溶剂)再生的较低成本方法。
发明内容
产生使化学吸收剂再生所需的必要量和质量的热的能力是重要的。通常，所产生的热的温度越高，所述热越有价值。在典型的CO2捕获工序中，加热富CO2化学吸收剂(即，富CO2液体溶剂)所需的热是以任何加热流体(如冷凝蒸汽、热气体、热水或热油)的形式供应的。
在使用化学吸收剂的典型CO2捕获工序中，化学吸收剂的再生需要等于或大于120℃的温度(高品位热)。希望尽可能最大程度地使用低价值、低品级的热源来从富CO2化学吸收剂中去除CO2，使得再生方法尽可能成本有效。
本发明提供了从溶剂中去除CO2的方法和系统(例如，由富CO2化学吸收剂形成贫CO2化学吸收剂的方法)。
本发明提供了从溶剂中去除CO2的方法和系统，其中使用较低温度热源(即，低品位热)来部分或完全再生贫化学吸收剂。
本发明提供了从溶剂中去除CO2的方法和系统，其中高品位热(等于或大于120℃)部分地被在60℃至小于120℃范围内的低品位热替代。这有利地将所需的高品位热减少30％至50％，典型地减少50％(±10％)，并降低总操作成本。
本发明提供了典型地包括至少两个再生区段的方法和系统。典型地，分别地，一个再生区段包括用于低品位热的再生器，并且第二再生区段包括用于高品位热的第二再生器。再生器(低品位热)产生仅部分耗尽CO2的热的半贫CO2流。第二再生区段(高品位热)产生热的贫CO2流，其类似于用于从烟气捕获CO2的常规方法和系统中的流111。
本发明提供了方法和系统，其中在用高品位和低品位热两者再生的液体流之间进行热交换。热交换有利地允许定制系统，这有利地允许优化总能耗的操作成本。
本发明的代表性特征在以下条款中陈述，其单独存在或可以任何组合与本说明书的文本和/或附图中公开的一个或多个特征组合。
现在参考以下各项描述本发明：
项1.一种用于使包含二氧化碳(CO2)的溶剂再生的方法，所述方法包括：
提供包含二氧化碳(CO2)的溶剂；
使所述包含二氧化碳(CO2)的溶剂穿过低品位热再生器以形成贫二氧化碳(CO2)溶剂；以及
使所述贫二氧化碳(CO2)溶剂穿过低品位热再沸器。
项2.根据项1所述的方法，其中所述低品位热再生器在60℃至小于120℃范围内的温度下操作。
项3.根据项1或项2所述的方法，其中所述低品位热再生器在以下范围内的温度下操作：100℃至119℃、或100℃至115℃。
项4.根据项1至3中任一项所述的方法，其中所述低品位热再沸器在60℃至小于120℃范围内的温度下操作。
项5.根据项1至4中任一项所述的方法，其中所述低品位热再沸器在以下范围内的温度下操作：100℃至119℃、或100℃至115℃。
项6.根据项1至5中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括：
使包含二氧化碳(CO2)的溶剂穿过高品位热再生器以形成贫二氧化碳(CO2)溶剂；以及
使所述贫二氧化碳(CO2)溶剂穿过高品位热再沸器。
项7.根据项6所述的方法，其中所述高品位热再生器在等于或大于120℃的温度下操作。
项8.根据项6或项7所述的方法，其中所述高品位热再生器在120℃至140℃的温度下操作。
项9.根据项6至8中任一项所述的方法，其中所述高品位热再沸器在等于或高于120℃的温度下操作。
项10.根据项6至9中任一项所述的方法，其中所述高品位热再沸器在120℃至140℃的温度下操作。
项11.根据项6至10中任一项所述的方法，其中所述低品位热再生器、所述低品位热再沸器、所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述部件中的两个、三个或四个之间穿过。
项12.根据项11所述的方法，其中将离开所述低品位热再沸器的包含二氧化碳(CO2)的溶剂传送至所述高品位热再生器；任选地使其穿过交叉式换热器。
项13.根据项6至10中任一项所述的方法，其中：
所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述低品位热再生器与所述低品位热再沸器之间穿过；
所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述高品位热再生器与所述高品位热再沸器之间穿过；并且
所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器与所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器液压独立(不流体连通)，并且与它们热相关(热连通)。
项14.根据项1至13中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：
将所述包含二氧化碳(CO2)的溶剂分成第一流和第二流；
使所述第一流穿过低品位热再生器和低品位热再沸器；以及
使所述第二流穿过高品位热再生器和高品位热再沸器。
项15.根据项14所述的方法，其中所述第一流与所述第二流液压相关(流体连通)且热相关(热连通)。
项16.根据项14所述的方法，其中所述第一流与所述第二流液压独立(不流体连通)且热相关(热连通)。
项17.根据项14所述的方法，其中所述第一流与所述第二流液压独立(不流体连通)且热独立(不热连通)。
项18.根据项14至17中任一项所述的方法，其中所述将包含二氧化碳(CO2)的溶剂分成第一流和第二流的步骤包括将所述包含二氧化碳(CO2)的溶剂分成(以重量％(或体积％)计，第一流:第二流的比率)：
50:50(±10％)，或
10％至30％:90％至70％，或
70％至90％:30％至10％，或
20％:80％(±10％)，或
25％:75％(±10％)，或
80％:20％(±10％)，或
75％:25％(±10％)。
项19.根据项1至18中任一项所述的方法，其中所述低品位热再生器和所述高品位热再生器组合以形成单个组合式高品位热和低品位热再生器。
项20.根据项19所述的方法，其中所述组合式低品位热和高品位热再生器、所述低品位热再沸器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述部件中的两个或三个之间传送。
项21.根据项19或项20所述的方法，其中：
所述组合式低品位热和高品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述组合式低品位热和高品位热再生器与所述低品位热再沸器之间穿过；和/或
所述组合式低品位热和高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述组合式低品位热和高品位热再生器与所述高品位热再沸器之间穿过。
项22.根据项19至21中任一项所述的方法，其中所述低品位热再沸器定位在所述组合式低品位热和高品位热再生器的向下中途。
项23.根据项1至22中任一项所述的方法，其中将不溶解于所述溶剂中或不与所述溶剂反应的气体(任选地惰性气体，诸如氢气或氮气)引入一个或多个再沸器和/或一个或多个再生器中以降低所述一个或多个再沸器和/或所述一个或多个再生器中的温度，由此能够仅仅使用低品位热，或能够使用低品位热与高品位热的组合。
项24.根据项1至23中任一项所述的方法，其中所述提供包含二氧化碳(CO2)的溶剂的步骤包括提供富CO2溶剂；任选地，二氧化碳浓度为2至3.3mol L-1的富CO2溶剂。
项25.根据项1至24中任一项所述的方法，其中所述形成的贫二氧化碳(CO2)溶剂为二氧化碳浓度为0.0至0.7mol L-1的贫二氧化碳(CO2)溶剂。
项26.根据项1至25中任一项所述的方法，其中所述提供包含二氧化碳(CO2)的溶剂的步骤进一步包括：
使烟气与贫二氧化碳(CO2)溶剂在一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个或更多个吸收塔内接触，其中所述一个或多个吸收塔与所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通。
项27.根据项26所述的方法，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通。
项28.根据项26或项27所述的方法，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通。
项29.根据项1至28中任一项所述的方法，其中所述溶剂是强化溶剂；任选地，强化溶剂包含叔胺、空间位阻胺、多胺、盐和水；任选地，其中所述溶剂是CDRMax。
项30.一种用于使包含二氧化碳(CO2)的溶剂再生的系统，所述系统包括：
低品位热再生器；和
低品位热再沸器，
其中所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器各自独立地配置成在60℃至小于120℃(或100℃至119℃、或100℃至115℃)范围内的温度下再生贫二氧化碳(CO2)溶剂。
项31.根据项30所述的系统，其中所述系统进一步包括：
高品位热再生器；和
高品位热再沸器；
其中所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器配置成在等于或大于120℃的温度下再生贫二氧化碳(CO2)溶剂。
项32.根据项31所述的系统，其中所述高品位热再生器在120℃至140℃的温度下操作。
项33.根据项31或项32所述的系统，其中所述高品位热再沸器在120℃至140℃的温度下操作。
项34.根据项30至33中任一项所述的系统，其中所述低品位热再生器和所述高品位热再生器组合以形成单个组合式高品位热和低品位热再生器。
项35.根据项30至34中任一项所述的系统，其中所述低品位热再生器、所述低品位热再沸器、所述高品位热再生器、所述高品位热再沸器和/或所述组合式高品位热和低品位热再生器流体连通，使得在使用时包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述部件中的两个、三个或四个之间穿过。
项36.根据项35所述的系统，其中将离开所述低品位热再沸器的包含二氧化碳(CO2)的溶剂传送至所述高品位热再生器；任选地使其穿过交叉式换热器。
项37.根据项30至36中任一项所述的系统，其中：
所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述低品位热再生器与所述低品位热再沸器之间穿过；
所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述高品位热再生器与所述高品位热再沸器之间穿过；并且
所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器与所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器液压独立(不流体连通)，并且与它们热相关(热连通)。
项38.根据项30至37中任一项所述的系统，所述系统进一步包括：
分流器，其用于将所述包含二氧化碳(CO2)的溶剂分成第一流和第二流，所述分流器配置成允许：
使所述第一流穿过低品位热再生器和低品位热再沸器；以及
使所述第二流穿过高品位热再生器和高品位热再沸器。
项39.根据项38所述的系统，其中所述第一流与所述第二流液压相关(流体连通)且热相关(热连通)。
项40.根据项38所述的系统，其中所述第一流与所述第二流液压独立(不流体连通)且热相关(热连通)。
项41.根据项38所述的系统，其中所述第一流与所述第二流液压独立(不流体连通)且热独立(不热连通)。
项42.根据项38至41中任一项所述的系统，其中所述分流器配置成将所述包含二氧化碳(CO2)的溶剂按以下比率(以重量％(或体积％)计，第一流:第二流比率)分成第一流和第二流：
50:50(±10％)，或
10％至30％:90％至70％，或
70％至90％:30％至10％，或
20％:80％(±10％)，或
25％:75％(±10％)，或
80％:20％(±10％)，或
75％:25％(±10％)。
项43.根据项34所述的系统，其中：
所述组合式低品位热和高品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述组合式低品位热和高品位热再生器与所述低品位热再沸器之间穿过；和/或
所述组合式低品位热和高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳(CO2)的溶剂在所述组合式低品位热和高品位热再生器与所述高品位热再沸器之间穿过。
项44.根据项30至43中任一项所述的系统，其中所述系统配置成将富CO2溶剂转化成贫CO2溶剂；任选地，富CO2溶剂的二氧化碳浓度为2至3.3mol L-1；任选地，贫二氧化碳(CO2)溶剂的二氧化碳浓度为0.0至0.7mol L-1。
项45.根据项30至44中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括：
一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个吸收塔，其中所述一个或多个吸收塔与所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通。
项46.根据项45所述的系统，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通。
项47.根据项45或项46所述的系统，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通。
项48.根据项45至47中任一项所述的系统，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与组合式低品位热和高品位热再生器、所述低品位热再沸器和所述高品位热再沸器流体连通。
项49.根据项30至48中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包含不溶解于所述溶剂中或不与所述溶剂反应的气体(任选地惰性气体，诸如氢气或氮气)，所述气体存在于一个或多个再沸器和/或一个或多个再生器中以降低所述一个或多个再沸器和/或所述一个或多个再生器中的温度，由此能够仅仅使用低品位热，或能够使用低品位热与高品位热的组合。
项50.根据项30至49中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包含强化溶剂；任选地，强化溶剂包含叔胺、空间位阻胺、多胺、盐和水；任选地，其中所述溶剂是CDRMax。
本发明要求保护的方法和系统典型地应用于碳捕获工序和方法。然而，本发明不限于此特定用途，而是可以应用于需要从吸收剂中去除CO2组分的任何方法。本发明不限于液体和气体的分离。
附图说明
下面参考附图描述本发明的实施方式。附图例示了本公开的系统、方法和各种其它方面的各种实施方式。本领域的任何普通技术人员将理解，附图中例示的要素边界(例如，方框、方框组或其它形状)表示边界的一个实例。在一些实施例中，一个要素可以被设计为多个要素，或者多个要素可以被设计为一个要素。在一些实施例中，显示为一个要素的内部构件的要素可以被实现为另一个要素中的外部构件，反之亦然。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明原理上。此外，要素可以不按比例绘制。参考以下附图描述非限制性和非穷举性的描述。
图1是用于从烟气中捕获CO2的常规系统100的示意图。
图2是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统200的示意图。
图3是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统300的示意图，其中两股液体溶剂流液压独立，并且在所述两股液体溶剂流之间进行热交换。
图4是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统400的示意图，其中液体溶剂在低品位热再生器和高品位热再生器之间分流。
图5是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统500的示意图，其中两个吸收塔和两个再生器是液压和热独立的。
图6是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统600的示意图，其中液体溶剂穿过使用低品位热和高品位热的单个再生器。
图7是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统700的示意图，其中液体溶剂穿过使用低品位热和高品位热的单个再生器，所述低品位热来自定位在所述再生器向下中途的再沸器，所述高品位热来自定位在所述再生器的底部的再沸器。
图8是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统800的示意图，其中液体溶剂穿过使用低品位热和氢气的单个再生器。
图9是比较系统100和200的图。
图10是比较系统100、200和300的图。
图11是比较系统100、200、300和400的图。
图12是比较系统100、200、300、400和500的图。
图13是比较通过模拟的液体溶剂从含有15体积％CO2(基于干重，即为了计算的目的而排除水的存在)的气流中的CO2去除率作为120℃、105℃和90℃下的热的函数的图。
图14是比较通过模拟的液体溶剂从含有9体积％CO2(基于干重，即为了计算的目的而排除水的存在)的气流中的CO2去除率作为120℃、105℃和90℃下的热的函数的图。
图15是比较通过模拟的液体溶剂从含有5体积％CO2(基于干重，即为了计算的目的而排除水的存在)的气流中的CO2去除率作为120℃、105℃和90℃下的热的函数的图。
具体实施方式
现在将详细讨论本公开的一些实施方式。词语“包含”、“具有”、“含有”和“包括”以及它们的其它形式在含义上旨在是等同的并且是开放式的，因为在这些词语中的任何一个之后的一个或多个项目并不意味着是这一个或多个项目的穷举列表，或者并不意味着仅限于所列出的一个或多个项目。
必须指出，除非上下文明确地另外规定，否则如本文和权利要求书所使用，单数形式“一个/种(a)”、“一个/种(an)”和“所述”包括复数个/种指示物。虽然可以在本公开的实施方式的实践或测试中使用类似于或等效于本文中所述的那些系统和方法的任何系统和方法，但现在描述优选的系统和方法。
下文将参照附图更全面地描述本公开的实施方式，在附图中，相同的附图标记在所有附图中表示相同的要素，并且在附图中示出了示例实施方式。然而，权利要求的实施方式可以以许多不同的形式体现，并且不应当被解释为限于本文阐述的实施方式。本文阐述的实施例是非限制性实施例，并且仅是其它可能实施例中的示例。
定义
下面列出了用于描述本发明的一些术语：
“烟气”是来自锅炉、炉子或类似环境的经由充当排气管的管道或通道排出到大气中的气体，例如，烟气可以是来自发电厂和燃烧烃燃料的其它工业活动(诸如燃煤、燃气和燃油发电厂、联合循环发电厂、煤气化、制氢工厂、沼气工厂和废物-能量转化工厂)的排放物。
“液体溶剂”是指吸收剂。液体溶剂可以是强化溶剂。任选地，强化溶剂包含叔胺、空间位阻胺、多胺、盐和水。任选地，强化溶剂中的叔胺是以下中的一种或多种：N-甲基-二乙醇胺(MDEA)或三乙醇胺(TEA)。任选地，强化溶剂中的空间位阻胺是以下中的一种或多种：2-氨基-2-乙基-1,3-丙二醇(AEPD)、2-氨基-2-羟甲基-1,3-丙二醇(AHPD)或2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)。任选地，强化溶剂中的多胺是以下中的一种或多种：2-哌嗪-1-乙胺(AEP)或1-(2-羟乙基)哌嗪。任选地，强化溶剂中的盐是碳酸钾。任选地，水(例如，去离子水)包括在溶剂中，使得溶剂展现单个液相。任选地，溶剂是CDRMax，如由洁碳解决方案有限公司(Carbon Clean Solutions Limited)销售的。CDRMax(如由洁碳解决方案有限公司销售的)具有以下配方：15重量％至25重量％2-氨基-2-甲基丙醇(CAS号124-68-5)、15重量％至25重量％1-(2-乙基氨基)哌嗪(CAS号140-31-8)、1重量％至3重量％2-甲基氨基-2-甲基丙醇(CAS号27646-80-6)、0.1重量％至1重量％的碳酸钾(584-529-3)；、和余量的去离子水(CAS号7732-18-5)。
“贫CO2溶剂”是指具有相对低浓度的二氧化碳的溶剂。在二氧化碳捕获方法中，用于与烟气接触的贫CO2溶剂典型地具有0.0至0.7mol L-1的二氧化碳浓度。
“半贫CO2溶剂”是指具有相对中等浓度的二氧化碳的溶剂。在二氧化碳方法中，用于与烟气接触的半贫CO2溶剂典型地具有大于0.7至小于2mol L-1的二氧化碳浓度。在从烟气中去除CO2的情况下，当通过加热使CO2离开液体溶剂以部分地再生贫溶剂时，富CO2溶剂变成半贫CO2溶剂。
“半富CO2溶剂”是指具有相对中等浓度的二氧化碳的溶剂。在二氧化碳捕获方法中，用于与烟气接触的半富CO2溶剂典型地具有大于0.7至小于2mol L-1的二氧化碳浓度。在从烟气中去除CO2的情况下，当CO2通过与液体溶剂的活性组分反应而离开气相时，贫CO2液体溶剂变成半富CO2的。
“富CO2溶剂”是指具有相对高浓度二氧化碳的溶剂。在二氧化碳捕获方法中，与烟气接触之后的富CO2溶剂典型地具有2至3.3mol L-1的二氧化碳浓度。
“直接接触冷却器”是指系统的一部分，其中富CO2烟气被冷却。典型地，富CO2烟气在100℃的温度下进入直接接触冷却器，并且通过冷却水的再循环回路冷却到40℃的温度。
“吸收塔”是指系统的一部分，其中溶剂(贫CO2溶剂)的组分从气相吸收CO2到液相中以形成富CO2溶剂。吸收塔包括塔板或填料(无规的或规整的)，其提供了传输区域和紧密的气液接触。吸收塔可以是静态塔或旋转填充床(RPB)。吸收塔在使用中典型地例如在1巴至30巴的压力下起作用。
“静态塔”是指在分离方法中使用的系统的一部分。它是具有内部传质装置(例如，塔板、规整填料、无规填料)的中空塔。填料床可以是规整的或无规的填料，其可以含有催化剂或吸附剂。
“旋转填充床(RPB)”是指吸收器或再生器，其中填料被容纳在可旋转的盘中(而不是像在静态塔中那样在静态床中)，其所述可旋转的盘以高速旋转以在RPB内产生高重力离心力。
“再生器(低品位热)”或“低品位热再生器”是指系统的一部分，其中热(典型地来自热蒸气)用于使液体溶剂与CO2之间的反应逆转，以产生CO2和溶剂(贫CO2溶剂)。再生器(低品位热)典型地在以下温度范围内操作：60℃至小于120℃、或100℃至119℃、或105℃至115℃。液体溶剂的再生可以是部分的。再生器(低品位热)可以是静态塔或旋转填料床(RPB)。再生器在使用中典型地例如在0.2巴至0.8巴的压力下起作用。
“再生器(高品位热)”或“高品位热再生器”是指系统的一部分，其中热(典型地来自热蒸气)用于使液体溶剂与CO2之间的反应逆转，以产生CO2和溶剂(贫CO2溶剂)。再生器(高品位热)典型地在以下温度范围内操作：等于或大于120℃、或120℃至135℃、或120℃至140℃。液体溶剂的再生可以是部分的。再生器(高品位热)可以是静态塔或旋转填充床(RPB)。再生器在使用中典型地例如在0.8巴至5巴的压力下起作用。
“交叉式换热器”是指系统的一部分，其中在一种液体溶剂被加热的同时另一种液体溶剂被冷却，因为所述液体是热连接的。例如，液体溶剂(冷的富CO2溶剂)可以由另一种液体溶剂(热的贫CO2溶剂)的热加热。交叉式换热器在使用中典型地例如在1巴至30巴的压力下起作用。
“低品位”和“低品位热”是指系统的一部分或方法的一个步骤，其典型地在60℃至小于120℃的温度下操作。
“高品位”和“高品位热”是指系统的一部分或方法的一个步骤，其在典型地在以下范围内的温度下操作：等于或大于120℃、或120℃至135℃、或120℃至140℃。
“冷”是指温度典型地在20℃至60℃范围内。
“半热”是指温度典型地在60℃至110℃范围内
“热”是指温度典型地等于或大于120℃、典型地在120℃至180℃、或120℃至140℃范围内。
“强化溶剂”是指可以实现高CO2载量(任选地≥3.0mol/L)并形成比氨基甲酸盐更大比例的碳酸氢盐的溶剂。强化溶剂的实例包括在US2017/0274317A1中，其公开内容通过引用并入本文。在一些实施方式中，强化溶剂包含：链烷醇胺、反应性胺和碳酸盐缓冲剂。
“L/G”是溶剂流量(基于质量给出)相对于烟气的流量(基于质量给出)。
“PSIG”或“psig”是指相对于大气压力的表压(即测量的压力)，以磅/平方英寸为单位测量。环境空气压力测量为0psig。1psig＝6894.76帕斯卡。
“摩尔％”是指特定组分在组分混合物内的总摩尔数的百分比。
“重量％”是指特定组分在组分混合物内的百分比(按总重量计)。
“体积％”是指特定组分在组分混合物内的百分比(按总体积计)。
“特定的再沸器负荷”是指将富溶剂流或半富溶剂流再生为贫溶剂或半贫溶剂所需的再沸器能量(表示为冷凝为液体的50psig饱和蒸汽的重量)除以所捕获的CO2的重量。
“模拟”是指在布莱恩研究公司(Bryan Research)提供的名为
Figure BDA0004038611320000201
的软件上模拟的方法。
Figure BDA0004038611320000202
是用于模拟尤其是CO2捕获方法和系统的工业标准软件。
实施例
系统200：本发明的系统和方法
图2是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统200的示意图。
含有CO2的烟气201在通常100℃的温度下进入系统200。
任选地，烟气201穿过增压风机(未示出)。所述增压风机防止穿过系统的压降的发生或补偿穿过系统压降。
任选地，富CO2烟气201进入直接接触冷却器(未示出)。任选地，烟气201在穿过增压风机之后进入直接接触冷却器。烟气201以逆流配置接触冷水的再循环回路。通过与冷水的再循环回路接触，烟气201冷却至通常40℃的温度。
烟气201进入第一吸收塔205a。在第一吸收塔205a中，烟气201与液体溶剂206a(冷的半贫CO2溶剂)和液体溶剂208a(冷的半富CO2溶剂)接触。溶剂206a和208a内的组分选择性地与烟气201中的CO2反应，导致CO2从气相转移到液相中。
第一吸收塔205a包括规整填料以使溶剂206a和208a内的组分的表面积与体积比最大化。通过使表面积与体积比最大化，促进了烟气201中的CO2与溶剂206a和208a中的组分之间的反应。
烟气201在第一吸收塔205a的底部进入，并上升穿过第一吸收塔205a，同时溶剂206a和208a在顶部进入第一吸收塔205a，并且在重力下级联穿过第一吸收塔205a以下降到第一吸收塔205a的底部。烟气201以逆流配置与溶剂206a和208a接触。
通过在与烟气201中的CO2反应，溶剂206a和208a变成富CO2的且形成液体溶剂208(冷的富CO2溶剂)。
溶剂206a和溶剂208a两者的使用导致烟气201的CO2含量部分耗尽。形成烟气201a(部分耗尽CO2)。溶剂206a和208a在进入第一吸收塔时已经具有CO2载量，并且因此溶剂可以去除的CO2的量减少(与贫CO2溶剂相比)。
在离开第一吸收塔205a时，烟气201a(部分耗尽CO2)进入第二吸收塔205b。在第二吸收塔205b中，烟气201a(部分耗尽CO2)与液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)接触。
第二吸收塔205b包括规整填料以使液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)内的活性组分的表面积与体积比最大化。通过使表面积与体积比最大化，促进了烟气201a(部分耗尽CO2)中的CO2与液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)中的组分之间的反应。
烟气201a(部分耗尽CO2)在第二吸收塔205b的底部进入，并上升穿过第二吸收塔205b，同时液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)在顶部进入第二吸收塔205b，并且级联穿过第二吸收塔205b。烟气201a(部分耗尽CO2)以逆流配置与液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)接触。
通过与烟气201a(部分耗尽CO2)中的CO2反应，液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)变成部分富CO2的并形成液体溶剂208a(冷的半富CO2溶剂)。
当烟气201a(部分耗尽CO2)到达第二吸收塔205b的顶部时，其是贫CO2的(烟气207)。烟气207(贫CO2)从第二吸收塔205b的顶部释放。烟气207(贫CO2)典型地含有比烟气201少30％至90％(按重量计)的CO2，典型地比烟气201少85％(按重量计)的CO2。
当溶剂206a和208a与CO2反应时形成的液体溶剂208(冷的富CO2溶剂)进入第一交叉式换热器210a。在第一交叉式换热器210a内部，使用来自液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)的热加热液体溶剂208(冷的富CO2溶剂)。通过加热，液体溶剂208(冷的富CO2溶剂)形成液体溶剂212a(半热的富CO2溶剂)。
液体溶剂212a(半热的富CO2溶剂)在再生器209a(低品位热)中部分再生。液体溶剂212a(半热的富CO2溶剂)进入再生器209a(低品位热)的顶部并在重力下级联穿过再生器209a(低品位热)到达底部。在再生器209a(低品位热)内部，液体溶剂212a(半热的富CO2溶剂)通过与蒸气214a(低品位热)接触而被加热。
典型地，蒸气214a(低品位热)向上流动穿过再生器209a(低品位热)，与液体溶剂212a(半热的富CO2溶剂)逆流。蒸气214a(低品位热)典型地处于60℃至小于120℃的温度。
在加热时，在溶剂的组分与CO2之间的反应逆转，并且液体溶剂部分地耗尽其CO2含量，并且形成气态CO2 215。
气态CO2 215离开再生器209a(低品位热)的顶部。气态CO2 215可以用于下游方法。
液体溶剂进入再沸器213a(低品位热)，在其中它被加热以形成液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)和蒸气214a(低品位热)。
液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)被分成单独的流。典型地，液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)被分成两股流。
分流的比例由(a)供应到再生器的热的质量、(b)低品位热源与高品位热源之间的值差和(c)所需的CO2捕获量确定。
液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)的一股流进入第一交叉式换热器210a中，其中液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)加热进入的液体溶剂208(冷的富CO2溶剂)。通过加热液体溶剂208(冷的富CO2溶剂)，液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)被冷却并形成液体溶剂206a(冷的半贫CO2溶剂)。使液体溶剂206a(冷的半贫CO2溶剂)进入第一吸收塔205a。
液体溶剂206a(冷的半贫CO2溶剂)可以在进入第一吸收塔205a之前穿过另外的冷却器。
液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)的另一流进入第二交叉式换热器210b，其中液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)由在再生器209(高品位热)中产生的液体溶剂211(热的贫CO2溶剂)加热。在加热时，液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)形成液体溶剂212(热的半贫CO2溶剂)。
液体溶剂212(热的半贫CO2溶剂)进入再生器209(高品位热)的顶部并在重力下级联穿过再生器209(高品位热)到达底部。在再生器209(高品位热)内部，液体溶剂212(热的半贫CO2溶剂)通过与蒸气214(高品位热)接触而被加热。
典型地，蒸气214(高品位热)向上流动穿过再生器209(高品位热)，与液体溶剂212(热的半贫CO2溶剂)逆流。蒸气214(高品位热)典型地处于120℃至135℃的温度。
当液体溶剂212(热的半贫CO2溶剂)与蒸气214(高品位热)接触时，比在再生器209a(低品级热)的温度操作范围下更有效地从溶剂中去除CO2。溶剂的组分与CO2之间的反应在加热时逆转，并导致产生耗尽其CO2含量的液体溶剂和气态CO2 215。
气态CO2 215离开再生器209(高品位热)的顶部。气态CO2 215可以用于下游方法。
在离开再生器209(高品位热)时，液体溶剂在再沸器213(高品位热)中被加热。加热液体溶剂产生蒸气214(高品位热)和液体溶剂211(热的贫CO2溶剂)。
蒸气214(高品位热)进入再生器209(高品位热)。
液体溶剂211(热的贫CO2溶剂)进入第二交叉式换热器210b。在第二交叉式换热器210b内部，液体溶剂211(热的贫CO2溶剂)由进入的液体溶剂211a(半热的半贫CO2溶剂)冷却，导致形成液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)。液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)进入第二吸收塔205b。
液体溶剂206(冷的贫CO2溶剂)可以在进入第二吸收塔205b之前穿过另外的冷却器。
与典型的CO2捕获方法相比，本发明的配置(例如，参考图2描述的配置)有利地在于至少两个温度下操作的至少两个再生器(一个再生器提供低品位热，另一个再生器提供高品位热)之间分流液体溶剂。
系统200的配置用在60℃至小于120℃的温度范围内的低品位热替代一部分高品位热(典型地在120℃至135℃的温度范围内)。
系统200的配置将使液体溶剂再生所需的高品位热减少20％至35％，典型地减少35％(与其中仅使用高品位热的图1的系统相比)。
系统200的配置通过降低所需温度而减轻了溶剂组分的降解。这使系统中所用溶剂的寿命最大化。
系统200的配置通过减少更昂贵的高品位热的所需负荷来降低操作成本。
系统200的配置典型地从烟气201中去除30％至90％的CO2(按重量计)，或典型地从烟气201中去除85％的CO2(按重量计)。通过调节工序参数可以实现更高和更低的去除率。
系统300：本发明的系统和方法，其中两股液体溶剂流保持液压独立
图3是根据本发明的一个实施例的用于捕获CO2的系统300的示意图。
在系统300中，液体溶剂未被混合和分流。相反，液体溶剂以两个液压独立的流存在。
在系统300中，含有CO2的烟气301在100℃的温度下进入系统300。烟气301任选地穿过增压风机和直接接触冷却器(在其中它被冷却到40℃的温度)(未示出)。
在系统300中，使用两个吸收塔(305a和305b)以从烟气301中去除CO2。
烟气301在第一吸收塔305a的底部进入，并上升穿过第一吸收塔305a，同时液体溶剂306a在顶部进入第一吸收塔305a，并在重力下级联穿过第一吸收塔305a。烟气301以逆流配置与液体溶剂306a(冷的半贫CO2溶剂)接触。液体溶剂306a内的组分选择性地与CO2气体反应，导致CO2从气相转移到液相中。
当溶剂306a到达第一吸收塔305a的底部时，溶剂是富CO2的，并且现在是液体溶剂308(冷的富CO2溶剂)。
液体溶剂308(冷的富CO2溶剂)进入再生器309a(低品位热)，在其中通过使用蒸气314a(低品位热)逆转CO2与液体溶剂之间的反应。典型地，蒸气314a(低品位热)向上流动穿过再生器309a(低品位热)，与液体溶剂308(冷的富CO2溶剂)逆流。气态CO2 315形成并离开再生器309a(低品位热)的顶部。
然后，液体溶剂308(冷的富CO2溶剂)进入再沸器313a(低品位热)，在其中它被加热。通过加热，形成蒸气314a(低品位热)和液体溶剂311a(半热的半贫CO2溶剂)。蒸气314a(低品位热)典型地处于60℃至小于120℃的温度。
液体溶剂的初始CO2含量耗去15％至20％(按重量计)，并且变成流311a(半热的半贫CO2溶剂)。
液体溶剂311a(半热的半贫CO2溶剂)进入第一交叉式换热器310a，其中来自液体溶剂311a(半热的半贫CO2溶剂)的热传递至第二溶剂。液体溶剂306a(冷的半贫CO2溶剂)再形成并且可以再次开始吸收工序。
液体溶剂306a(冷的半贫CO2溶剂)可以在进入第一吸收塔305a之前经过另外的冷却器。
当烟气301到达第一吸收塔305a的顶部时，其CO2含量已部分耗尽，并且现在是烟气301a(部分耗尽CO2)。
在第二吸收塔305b中，烟气301a(部分耗尽CO2)与第二溶剂接触。第二溶剂是以液体溶剂306(冷的贫CO2溶剂)的形式。烟气301a(部分耗尽CO2)在第二吸收塔305b的底部进入，并上升穿过第二吸收塔305b，同时液体溶剂306(冷的贫CO2溶剂)在顶部进入第二吸收塔305b，并且在重力下级联穿过第二吸收塔305b。烟气301a(部分耗尽CO2)以逆流配置与液体溶剂306(冷的贫CO2溶剂)接触。液体溶剂306(冷的贫CO2溶剂)内的组分选择性地与CO2气体反应，导致CO2从气相转移到液相中。
当液体溶剂306(冷的贫CO2溶剂)到达第二吸收塔305b的底部时，形成了液体溶剂308a(冷的半富CO2溶剂)。
液体溶剂308a(冷的半富CO2溶剂)进入第一交叉式换热器310a，在其中它被来自第一溶剂的热加热。形成液体溶剂312a(半热的半富CO2溶剂)。
液体溶剂312a(半热的半富CO2溶剂)进入第二交叉式换热器310b，在其中液体溶剂312a(半热的半富CO2溶剂)通过来自液体溶剂311(热的贫CO2溶剂)的热加热以形成液体溶剂312(热的半富CO2溶剂)。
液体溶剂312(热的半富CO2溶剂)进入再生器309(高品位热)，其中通过使用蒸气314(高品位热)逆转CO2与液体溶剂之间的反应。典型地，蒸气314(高品位热)向上流动穿过再生器309(高品位热)，与液体溶剂312(热的半富CO2溶剂)逆流。气态CO2 315形成并离开再生器309(高品位热)的顶部。
液体溶剂进入再沸器313(高品位热)，在其中它被加热。通过加热，形成蒸气314(高品位热)和液体溶剂311(热的贫CO2溶剂)。蒸气314(高品位热)典型地处于120℃至135℃的温度。
液体溶剂311(热的贫CO2溶剂)进入第二交叉式换热器310b，在其中与液体溶剂312a(半热的半富CO2溶剂)进行热交换以形成液体溶剂306(冷的贫CO2溶剂)。液体溶剂306(冷的贫CO2溶剂)可以再次开始吸收工序。
液体溶剂306(冷的贫CO2溶剂)可以在进入第二吸收塔305b之前经过另外的冷却器(未示出)。
当烟气301a(部分耗尽CO2)到达第二吸收塔305b的顶部时，其是贫CO2的(烟气307)。烟气307(贫CO2)从第二吸收塔305b的顶部释放。
再生器309(高品位热)中产生的CO2流与来自再生器309a(低品位热)的CO2合并。两个CO2流混合在一起，并作为单个流离开所述方法。气态CO2 315可以用于下游方法中。
与典型的CO2捕获方法相比，系统300的配置有利地在于至少两个温度下操作的至少两个再生器之间分流液体溶剂。
系统300的配置用典型地在60℃至小于120℃的温度范围内的低品位热替代高品位热(典型地在120℃至135℃的温度范围内)。
系统300的配置将所需的高品位热减少30％至60％，典型地减少60％。
系统300的配置通过降低所需温度而减轻了溶剂组分的降解。
系统300的配置通过减少所需的高品位热来降低操作成本。
系统300的配置在用于液体溶剂再生的低品位热源与高品位热源之间的转换方面是灵活的。
系统300的配置典型地从烟气301中去除30％至90％的CO2(按重量计)，典型地从烟气301中去除85％的CO2(按重量计)。通过调节工序参数可以实现更高和更低的去除率。
系统400：本发明的系统和方法，其中液体溶剂在低品位热再生器与高品位热再生 器之间分流
图4是根据本发明用于捕获CO2的系统400的示意图。
在系统400中，液体溶剂在低品位热再生器与高品位热再生器(409a和409)之间分流。
在系统400中，含有CO2的烟气401在典型地100℃的温度下进入系统400。烟气401任选地穿过增压风机和直接接触冷却器(在其中它被冷却到典型地40℃的温度)。
在系统400中，使用两个吸收塔(405a和405b)以从烟气401中去除CO2。
烟气401进入第一吸收塔405a。第一吸收塔405a包括规整填料以促进从烟气中去除CO2。在第一吸收塔405a中，烟气401与液体溶剂406a(冷的半贫CO2溶剂)和液体溶剂408a(冷的半富CO2溶剂)接触。溶剂内的组分选择性地与CO2气体反应，导致CO2从气相转移到液相中。
烟气401在第一吸收塔405a的底部进入，并上升穿过第一吸收塔405a，同时液体溶剂406a和408a在顶部进入第一吸收塔405a并在重力下级联至第一吸收塔405a的底部。烟气401以逆流配置与溶剂406a和408a接触。
当液体溶剂到达第一吸收塔405a的底部时，溶剂是富CO2的，并且现在是液体溶剂408(冷的富CO2溶剂)。
当烟气401到达第一吸收塔405a的顶部时，其CO2含量已部分耗尽，并且现在是烟气401a(部分耗尽CO2)。
在第二吸收塔405b中，烟气401a(部分耗尽CO2)与液体溶剂406(冷的贫CO2溶剂)接触。第二吸收塔405b包括规整填料以促进从烟气中去除CO2。烟气401a(部分耗尽CO2)在第二吸收塔405b的底部进入，并上升穿过第二吸收塔405b，同时液体溶剂406(冷的贫CO2溶剂)在顶部进入第二吸收塔405b，并且在重力下级联至第二吸收塔405b的底部。
一旦液体溶剂406(冷的贫CO2溶剂)已经到达第二吸收塔405b的底部，它已经变成半富CO2的。液体溶剂已经形成液体溶剂408a(冷的半富CO2溶剂)，其然后进入第一吸收塔405a。
当烟气401a(部分耗尽CO2)到达第二吸收塔405b的顶部时，其是贫CO2的(烟气407)。烟气407(贫CO2)从第二吸收塔405b的顶部释放。
在离开第一吸收塔405a时，液体溶剂408(冷的富CO2溶剂)被分成两股流。
分流的比例由(a)供应到再生器的热的质量、(b)低品位热源与高品位热源之间的值差和(c)所需的CO2捕获量确定。
典型地，液体溶剂408(冷的富CO2溶剂)以20:80、或25:75的比率(以重量％或体积％表示的比率)分成两股流以分别形成第一流和第二流。
第一流进入第一交叉式换热器410a，在其中它被液体溶剂411a(半热的半贫CO2溶剂)加热以形成液体溶剂412a(半热的富CO2溶剂)。
液体溶剂412a(半热的富CO2溶剂)进入再生器409a(低品位热)并且在与蒸气414a(低品位热)接触的同时，在重力下级联经过填充床到达再生器409a(低品位热)的底部。使液体溶剂部分再生，并且产生气态CO2 415。
气态CO2 415离开再生器409a(低品位热)的顶部。气态CO2 415可以用于下游工序中。
在到达再生器409a(低品位热)的底部时，液体溶剂被吸入再沸器413a(低品位热)中，在其中它被低品位热加热。通过加热，产生蒸气414a(低品位热)和液体溶剂411a(半热的半贫CO2溶剂)。
蒸气414a(低品位热)用于再生器409a(低品位热)中。蒸气414a(低品位热)典型地处于60℃至小于120℃的温度。
液体溶剂411a(半热的半贫CO2溶剂)进入第一交叉式换热器410a，在其中它被进入的液体溶剂408(冷的富CO2溶剂)冷却。作为冷却的结果，液体溶剂406a(冷的半贫CO2溶剂)再形成并且可以再次开始吸收工序。
液体溶剂406a(冷的半贫CO2溶剂)可以在进入第一吸收塔405a之前穿过另外的冷却器。
第二流被进一步分成两股流。
分流的比例由(a)供应到再生器(高品位热)的热的质量、和(b)所需的CO2捕获量确定。
典型地，液体溶剂408(冷的富CO2溶剂)以90:10、或80:20的比率(以重量％或体积％表示的比率)分成两股流以分别形成第二流的第一流和第二流。
第二流的第一流在第二交叉式换热器410b中通过液体溶剂411(热的贫CO2溶剂)加热以形成液体溶剂412(热的富CO2溶剂)。
液体溶剂412(热的富CO2溶剂)进入再生器409(高品位热)并且在与蒸气414(高品位热)接触的同时，级联穿过填充床到达再生器409(高品位热)的底部。液体溶剂耗尽其CO2含量，并且形成气态CO2 415a(热)。
第二流的第二流在冷凝器416中通过气态CO2 415a(热)加热。
在加热第二流之后，气态CO2 415离开系统。气态CO2 415可以用于下游方法。
然后，第二流的第二流进入再生器409(高品位热)并且在与蒸气414(高品位热)接触的同时级联到再生器409(高品位热)的底部。液体溶剂耗尽其CO2含量，并且形成气态CO2415a(热)。
在再生器409(高品位热)的底部，溶剂在再沸器413(高品位热)中被加热。通过加热，产生蒸气414(高品位热)和液体溶剂411(热的贫CO2溶剂)。
蒸气414(高品位热)用于再生器(高品位热)中。蒸气414(高品位热)典型地处于120℃至135℃的温度。
液体溶剂411(热的贫CO2溶剂)进入第二交叉式换热器410b，在其中它被进入的液体溶剂408(冷的富CO2溶剂)冷却。作为冷却的结果，液体溶剂406(冷的贫CO2溶剂)再形成并且可以再次开始吸收工序。
液体溶剂406(冷的贫CO2溶剂)可以在进入第二吸收塔405b之前穿过另外的冷却器。
与典型的CO2捕获方法相比，系统400的配置有利地在于至少两个温度下操作的至少两个再生器之间分流液体溶剂。
系统400的配置用低品位热(典型地在60℃至小于120℃的温度范围内)替代高品位热(典型地在120℃至135℃的温度范围内)。
系统400的配置将所需的高品位热减少20％至35％，典型地减少35％。
系统400的配置通过减少溶剂在再生器(高品位热)中的停留时间来减轻溶剂组分的降解。
系统400的配置通过减少所需的高品位热来降低操作成本。
系统400的配置使利用再生器409a(低品位热)再生的液体溶剂的比例最小化，并且使利用再生器409(高品位热)再生的液体溶剂的比例最大化。
系统400的配置典型地从烟气401中去除30％至90％(按重量计)的CO2，典型地从烟气401中去除85％(按重量计)的CO2。通过调节工序参数可以实现更高和更低的去除率。
系统500：本发明的系统和方法，其中两个吸收塔和两个再生器是液压独立的且热 独立的
图5是根据本发明用于捕获CO2的系统500的示意图。
在系统500中，两个吸收塔(505a和505b)、两个热再生器(509a和509)和两个溶剂回路彼此液压独立且热独立。
液体溶剂在低品位热回路与高品位热回路之间以50:50比率或75:25比率(以重量％或体积％表示的比率)在各回路之间分流。
在系统500的第一液体溶剂回路中，第一吸收塔505a用于从烟气501中部分地去除CO2。含有CO2的烟气501在典型地100℃的温度下进入系统500。烟气501任选地穿过增压风机和直接接触冷却器(在其中它被冷却到典型地40℃的温度)。
烟气501进入第一吸收塔505a。烟气501与液体溶剂506a(冷的半贫CO2溶剂)在第一吸收塔505a中接触以形成液体溶剂508(冷的富CO2溶剂)。
液体溶剂508(冷的富CO2溶剂)进入第一交叉式换热器510a，在其中它被来自液体溶剂511a(半热的半贫CO2溶剂)的热加热。形成液体溶剂512a(半热的富CO2溶剂)。
液体溶剂512a(半热的富CO2溶剂)进入再生器509a(低品位热)，其中通过使用蒸气514a(低品位热)逆转CO2与液体溶剂之间的反应，形成部分耗尽CO2的液体溶剂和气态CO2515。
气态CO2 515离开再生器509a(低品位热)的顶部。气态CO2 515可以用于下游工序中。
然后，液体溶剂进入再沸器513a(低品位热)，在其中它被加热以形成液体溶剂511a(半热的半贫CO2溶剂)。蒸气514a(低品位热)在再沸器513a(低品位热)中形成，并且具有60℃至小于120℃的温度。
液体溶剂511a(半热的半贫CO2溶剂)进入第一交叉式换热器510a，在其中它通过与液体溶剂508(冷的富CO2溶剂)进行热交换而被冷却。液体溶剂506a(冷的半贫CO2溶剂)再形成并且可以再次开始吸收工序。
液体溶剂506a(冷的半贫CO2溶剂)可以在进入第一吸收塔505a之前经过另外的冷却器。
当烟气501到达第一吸收塔505a的顶部时，其CO2含量已部分耗尽，并且形成烟气501a(部分耗尽CO2)。
在系统500的第二液体溶剂回路中，烟气501a(部分耗尽CO2)与液体溶剂506(冷的贫CO2溶剂)在第二吸收塔505b中接触以形成液体溶剂508a(冷的半富CO2溶剂)。
液体溶剂508a(冷的半富CO2溶剂)进入第二交叉式换热器510b，在其中它被来自液体溶剂511(热的贫CO2溶剂)的热加热。形成液体溶剂512(热的半富CO2溶剂)。
液体溶剂512(热的半富CO2溶剂)进入再生器509(高品位热)，其中通过使用蒸气514(高品位热)逆转CO2与液体溶剂之间的反应。典型地，蒸气514(高品位热)向上流动穿过再生器509(高品位热)，与液体溶剂512(热的半富CO2溶剂)逆流。气态CO2 515形成并离开再生器509(高品位热)的顶部。
气态CO2 515离开再生器509(高品位热)的顶部。气态CO2 515可以用于下游方法。
然后，液体溶剂进入再沸器513(高品位热)，在其中它被加热。通过加热，形成蒸气514(高品位热)和液体溶剂511(热的贫CO2溶剂)。蒸气514(高品位热)典型地处于120℃至135℃的温度。
液体溶剂511(热的贫CO2溶剂)进入第二交叉式换热器510b，在其中它被液体溶剂508a(冷的半富CO2溶剂)冷却。液体溶剂506(冷的贫CO2溶剂)再形成并且可以再次开始吸收工序。
液体溶剂506(冷的贫CO2溶剂)可以在进入第二吸收塔405b之前穿过另外的冷却器。
当烟气501a(部分耗尽CO2)到达第二吸收塔505b的顶部时，其耗尽CO2且形成烟气流507(耗尽CO2)。烟气507(耗尽CO2)从第二吸收塔505b的顶部释放。
与典型的CO2捕获方法相比，系统500的配置有利地在于至少两个温度下操作的至少两个再生器之间分流液体溶剂。
系统500的配置用在60℃至小于120℃的温度范围内的低品位热替代高品位热(典型地在120℃至135℃的温度范围内)。
系统500的配置将所需的高品位热减少40％至50％。
系统500的配置通过减少溶剂在再生器(高品位热)中的停留时间来减轻溶剂组分的降解。
系统500的配置通过减少所需的高品位热需求来降低操作成本。
系统500的配置典型地将液体溶剂分成两股等同流，这减少了高度使用的高品位热再生器。任选地，在低品位热回路与高品位热回路之间的分流为75:25(以重量％或体积％表示的比率)。
系统500的配置典型地从烟气501中去除30％至90％的CO2(按重量计)，典型地从烟气501中去除85％的CO2(按重量计)。通过调节工序参数可以实现更高和更低的去除率。
下面是非限制性实施例，其参考某些附图中的图讨论使用本发明的系统和方法的优点。
系统600：本发明的系统和方法，其中单个再生器使用两个并联的再沸器和单个吸 收塔
图6是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统600的示意图。
在系统600中，含有CO2的烟气601在典型地100℃的温度下进入系统600。烟气601任选地经过增压风机和直接接触冷却器(在其中它被冷却到典型地40℃的温度)(未示出)。
烟气601进入吸收塔605，在其中烟气601与液体溶剂606(冷的贫CO2溶剂)逆流接触。烟气601上升穿过吸收塔605。液体溶剂606(冷的贫CO2溶剂)经由定位在吸收塔605顶部的液体分配器(图6中未示出)进入吸收塔605，并且级联向下穿过吸收塔605。吸收塔605包括填料以使表面积与体积比最大化。液体溶剂606(冷的贫CO2溶剂)中的组分与富CO2烟气601中的CO2反应。
通过与富CO2烟气601中的CO2反应，液体溶剂606(冷的贫CO2溶剂)变成富CO2的并形成液体溶剂608(冷的富CO2溶剂)。
当烟气601到达吸收塔605的顶部时，其耗尽CO2并形成烟气607(贫CO2)。烟气607(贫CO2)从吸收塔605的顶部释放。
液体溶剂608(冷的富CO2溶剂)在再生器609(低品位热和高品位热)中用低品位热和高品位热两者再生，以再形成液体溶剂606(冷的贫CO2溶剂)。
液体溶剂608(冷的富CO2溶剂)经由交叉式换热器610进入再生器609(低品位热和高品位热)。在交叉式换热器610中，液体溶剂608(冷的富CO2溶剂)被液体溶剂611(热的贫CO2溶剂)加热以形成液体溶剂612(热的富CO2溶剂)。
液体溶剂612(热的富CO2溶剂)进入再生器609(低品位热和高品位热)的顶部并级联向下经过再生器609(低品位热和高品位热)。在再生器609(低品位热和高品位热)内部，液体溶剂612(热的富CO2溶剂)通过与蒸气614(高品位热)和蒸气614a(低品位热)接触而被加热。典型地，蒸气614(高品位热)和蒸气614a(低品位热)向上流动穿过再生器609(低品位热和高品位热)，与液体溶剂612(热的富CO2溶剂)逆流。蒸气614a(低品位热)典型地处于60℃至小于120℃的温度，并且蒸气614(高品位热)典型地处于120℃至135℃的温度。通过加热，液体溶剂的活性组分与CO2之间的反应逆转，释放CO2气体615并形成液体溶剂611(热的贫CO2溶剂)。
气态CO2 615离开再生器609(低品位热)的顶部。气态CO2 615可以用于下游工序。
液体溶剂611(热的贫CO2溶剂)被分流并被进料到两个并联的再沸器，再沸器613(高品位热)和再沸器613a(低品位热)。分流的比例由(a)供应到再生器的热的质量、(b)低品位热源与高品位热源之间的值差和(c)所需的CO2捕获量确定。在再沸器613(高品位热)内，液体溶剂611(热的贫CO2溶剂)沸腾，导致形成蒸气614(高品位热)。在再沸器613a(低品位热)内，液体溶剂611(热的贫CO2溶剂)沸腾，导致形成蒸气614a(低品位热)。蒸气614(高品位热)和蒸气614a(低品位热)用于再生器609(低品位热和高品位热)中。
液体溶剂611(热的贫CO2溶剂)进入交叉式换热器610，并通过与液体溶剂608(冷的富CO2溶剂)接触而冷却，以形成液体溶剂606(冷的贫CO2溶剂)。新形成的液体溶剂606(冷的贫CO2溶剂)现在准备再次重复吸收工序。
液体溶剂606(冷的贫CO2溶剂)可以在进入吸收塔605之前经过另外的冷却器(未示出)。
与典型的CO2捕获方法相比，本发明的配置(例如，参考图6描述的配置)在单个再生塔中有利地利用低品位热结合高品位热。低品位热可以是(但不限于)低压蒸气、或工序流，诸如来自将CO2转化为化学产物(如甲醇)的下游加工单元。
系统600的配置用在60℃至小于120℃的温度范围内的低品位热替代一部分高品位热(典型地在120℃至135℃的温度范围内)。如果一段时间内没有低品位热可用，则可以仅使用高品位热，以满足再生器609(低品位热和高品位热)的总热负荷。类似地，可以仅使用低品位热而不使用任何高品位热来操作。
系统600的配置将使液体溶剂再生所需的高品位热减少50％至90％，典型地减少80％(与其中仅使用高品位热的图1的系统相比)。
系统600的配置通过降低所需温度而减轻了溶剂组分的降解。这使系统中所用溶剂的寿命最大化。
系统600的配置通过减少更昂贵的高品位热的所需负荷来降低操作成本。
系统600的配置典型地从富CO2烟气601中去除30％至90％的CO2(按重量计)，或典型地从富CO2烟气601中去除85％的CO2(按重量计)。通过调节工序参数可以实现更高和更低的去除率。
系统700：本发明的系统和方法，其中单个再生器使用底部再沸器和侧再沸器以及 单个吸收塔
图7是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统700的示意图。
在系统700中，含有CO2的烟气701在典型地100℃的温度下进入系统700。烟气701任选地穿过增压风机和直接接触冷却器(在其中它被冷却到典型地40℃的温度)(未示出)。
烟气701进入吸收塔705，在其中烟气701与液体溶剂706(冷的贫CO2溶剂)逆流接触。烟气701上升穿过吸收塔705。液体溶剂706(冷的贫CO2溶剂)经由定位在吸收塔705顶部的液体分配器(图7中未示出)进入吸收塔705，并且级联向下穿过吸收塔705。吸收塔705包括填料以使表面积与体积比最大化。液体溶剂706(冷的贫CO2溶剂)中的活性组分与烟气701中的CO2反应。
当液体溶剂706(冷的贫CO2溶剂)到达吸收塔705的底部时，其是富CO2的并形成液体溶剂708(冷的富CO2溶剂)。
当烟气701到达吸收塔705的顶部时，其耗尽CO2并形成烟气707(贫CO2)。烟气707(贫CO2)从吸收塔705的顶部释放。
液体溶剂708(冷的富CO2溶剂)在再生器709(低品位热和高品位热)中用低品位热和高品位热两者再生，以再形成液体溶剂706(冷的贫CO2溶剂)。液体溶剂708(冷的富CO2溶剂)经由交叉式换热器710进入再生器709(低品位热)。在交叉式换热器710中，液体溶剂708(冷的富CO2溶剂)被液体溶剂711(热的贫CO2溶剂)加热以形成液体溶剂712(热的富CO2溶剂)。
液体溶剂712(热的富CO2溶剂)进入再生器709(低品位热和高品位热)的顶部并级联向下经过再生器709(低品位热和高品位热)。在再生器709(低品位热和高品位热)内部，液体溶剂712(热的富CO2溶剂)通过与蒸气714(高品位热)和蒸气714a(低品位热)接触而被加热。典型地，蒸气714(高品位热)和蒸气714a(低品位热)向上流动穿过再生器709(低品位热和高品位热)，与液体溶剂712(热的富CO2溶剂)逆流。蒸气714a(低品位热)典型地处于60℃至小于120℃的温度，并且蒸气714(高品位热)典型地处于120℃至135℃的温度。通过加热，逆转液体溶剂的活性组分与CO2之间的反应，释放CO2气体715并形成液体溶剂711(热的贫CO2溶剂)。
气态CO2 715离开再生器709(低品位热和高品位热)的顶部。气态CO2 715可以用于下游工序。
在从液体溶剂712(热的富CO2溶剂)进料位置到再生器709(低品位热和高品位热)的向下中途位置处，将一部分的液体溶剂712(热的富CO2溶剂)作为侧流取出并送到再沸器713a(低品位热)。侧流液体的量由(a)供应到再生器的热的质量、(b)低品位热源与高品位热源之间的值差和(c)所需的CO2捕获量确定。此部分的侧流液体可以是0％至100％的液体溶剂712(热的富CO2溶剂)。在再沸器713a(低品位热)内，液体溶剂711(热的贫CO2溶剂)沸腾，导致形成蒸气714a(低品位热)。
将液体溶剂711(热的贫CO2溶剂)进料至再沸器713(高品位热)。再沸器713(高品位热)朝向再生器709(低品位热和高品位热)的底部定位，优选在再沸器713a(低品位热)的进料位置下方。在再沸器713(高品位热)内，液体溶剂711(热的贫CO2溶剂)沸腾，导致形成蒸气714(高品位热)。蒸气714(高品位热)和蒸气714a(低品位热)用于再生器709(低品位热)中。
液体溶剂711(热的贫CO2溶剂)进入交叉式换热器710，并通过与液体溶剂708(冷的富CO2溶剂)接触而冷却，以形成液体溶剂706(冷的贫CO2溶剂)。新形成的液体溶剂706(冷的贫CO2溶剂)现在准备再次重复吸收工序。
液体溶剂706(冷的贫CO2溶剂)可以在进入吸收塔705之前经过另外的冷却器(未示出)。
与典型的CO2捕获方法相比，本发明的配置(例如，参考图7描述的配置)有利地在单个再生塔中利用低品位热结合高品位热。低品位热可以是(但不限于)低压蒸气、或工序流，诸如来自将CO2转化为化学产物(如甲醇)的下游加工单元。
系统700的配置用在60℃至小于120℃的温度范围内的低品位热替代一部分高品位热(典型地在120℃至135℃的温度范围内)。如果一段时间内没有低品位热可用，则可以仅使用高品位热，以满足再生器709(低品位热和高品位热)的总热负荷。
系统700的配置将使液体溶剂再生所需的高品位热减少50％至90％，典型地减少80％(与其中仅使用高品位热的图1的系统相比)。
系统700的配置通过降低所需温度而减轻了溶剂组分的降解。这使系统中所用溶剂的寿命最大化。
系统700的配置通过减少更昂贵的高品位热的所需负荷来降低操作成本。
系统700的配置典型地从烟气701中去除30％至90％的CO2(按重量计)，或典型地从烟气701中去除85％的CO2(按重量计)。通过调节工序参数可以实现更高和更低的去除率。
系统800：本发明的系统和方法，其中单个再生器使用氢气和单个吸收塔
图8是根据本发明用于从烟气中捕获CO2的系统800的示意图。
在系统800中，含有CO2的烟气801在典型地100℃的温度下进入系统800。烟气801任选地穿过增压风机和直接接触冷却器(在其中它被冷却到典型地40℃的温度)。
烟气801进入吸收塔805，在其中烟气801与液体溶剂806(冷的贫CO2溶剂)逆流接触。烟气801上升穿过吸收塔805。液体溶剂806(冷的贫CO2溶剂)经由定位在吸收塔805顶部的液体分配器(图8中未示出)进入吸收塔805，并且级联向下穿过吸收塔805。吸收塔805包括填料以使表面积与体积比最大化。液体溶剂806(冷的贫CO2溶剂)中的活性组分与烟气801中的CO2反应。
当液体溶剂806(冷的贫CO2溶剂)到达吸收塔805的底部时，其是富CO2的并形成液体溶剂808(冷的富CO2溶剂)。
当烟气801到达吸收塔805的顶部时，其耗尽CO2并形成烟气807(贫CO2)。烟气807(贫CO2)从吸收塔805的顶部释放。
液体溶剂808(冷的富CO2溶剂)在再生器809中用低品位热再生，以再形成液体溶剂806(冷的贫CO2溶剂)。液体溶剂808(冷的富CO2溶剂)经由交叉式换热器810进入再生器809(低品位热)。在交叉式换热器810中，液体溶剂808(冷的富CO2溶剂)被液体溶剂811(热的贫CO2溶剂)加热以形成液体溶剂812(热的富CO2溶剂)。
液体溶剂812(热的富CO2溶剂)进入再生器809(低品位热)的顶部并级联向下经过再生器809(低品位热)。在再生器(低品位热)内部，液体溶剂812(热的富CO2溶剂)通过与蒸气814(低品位热)接触而被加热。典型地，蒸气814(低品位热)向上流动穿过再生器809(低品位热)，与液体溶剂812(热的富CO2溶剂)逆流。蒸气814(低品位热)典型地处于60℃至小于120℃的温度。通过加热，逆转液体溶剂的活性组分与CO2之间的反应，释放CO2气体815并形成液体溶剂811(热的贫CO2溶剂)。
气态CO2 815离开再生器809(低品位热)的顶部。气态CO2 815可以用于下游工序。
将液体溶剂811(热的贫CO2溶剂)进料至再沸器813(低品位热)。根据低品位热的可用性，可以使用利用高品位热的第二再沸器(未示出)，其布置类似于图4或图5。在再沸器813(低品位热)内，液体溶剂811(热的贫CO2溶剂)沸腾，导致形成蒸气814(低品位热)。蒸气814(低品位热)用于再生器809(低品位热)中。将氢气816进料到再沸器813(低品位热)中以帮助蒸发。还可以(或代替地)将氢气816直接进料至再生器809(低品位热)。根据氢气816的压力，可能需要氢气压缩机817以将压力升高到再生器809(低品位热)的操作压力。
液体溶剂811(热的贫CO2溶剂)进入交叉式换热器810，并通过与液体溶剂808(冷的富CO2溶剂)接触而冷却，以形成液体溶剂806(冷的贫CO2溶剂)。新形成的液体溶剂806(冷的贫CO2溶剂)现在准备再次重复吸收工序。
液体溶剂806(冷的贫CO2溶剂)可以在进入吸收塔805之前穿过另外的冷却器(未示出)。
与典型的CO2捕获方法相比，本发明的配置(例如，参考图8描述的配置)有利地在单个再生塔中利用氢气结合低品位热。低品位热可以是(但不限于)低压蒸气、或工序流，诸如来自将CO2转化为化学产物(如甲醇)的下游加工单元。
系统800的配置使用氢气816来降低再生器809(低品位热)底部的流体温度。氢气816的摩尔流量比最高为气态CO2 815的摩尔流量的4倍。以此方式，可以用在60℃至小于120℃的温度范围内的低品位热替代全部的高品位热(典型地在120℃至135℃的温度范围内)。如果一段时间内没有低品位热可用，则可以在再沸器813(低品位热)中或在使用高品位热的单独再沸器(未示出)中仅使用高品位热，以满足再生器809(低品位热)的总热负荷。
系统800的配置将使液体溶剂再生所需的高品位热减少高达100％(与其中仅使用高品位热的图1的系统相比)。
系统800的配置通过降低所需温度而减轻了溶剂组分的降解。这使系统中所用溶剂的寿命最大化。
系统800的配置通过取消使用更昂贵的高品位热来降低操作成本。
系统800的配置典型地从烟气801中去除30％至90％的CO2(按重量计)，或典型地从烟气801中去除85％的CO2(按重量计)。通过调节工序参数可以实现更高和更低的去除率。
实施例1：与系统100相比，本发明的系统和方法(系统200)
在本发明的一个非限制性实施例中，系统200与系统100进行比较。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统100和200中使用CDRMax溶剂(如由洁碳解决方案有限公司销售)。
在本发明的此非限制性实施例中，系统100和200设定为从含有5摩尔％CO2的烟气中去除85％(按重量计)CO2。
在本发明的此非限制性实施例中，系统100使用再生器，所述再生器使用在高于120℃的温度下的高品位热来操作。
系统100和200使100％的液体溶剂再生。
在本发明的此非限制性实施例中，系统200使用两个再生器。一个再生器使用低品位热在105℃的温度下操作，第二再生器使用高品位热在120℃的温度下操作。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统200中，35％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而65％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。
此非限制性实施例的结果绘制在图9中。图9绘制了在CDRMax溶剂的再生中来自高品位热使用的比再沸器负荷(SRD)作为总溶剂存量(低品位热和高品位热再生)和烟气的L/G(按重量计)的函数。
图9表明，与系统100相比，在从液体溶剂中去除85％(按重量计)的CO2时，系统200将再沸器(高品位热)负荷降低25％至30％。
图9表明，系统200从液体溶剂中去除CO2，优选当液体溶剂具有高CO2浓度时，因为相对于具有低CO2浓度的液体溶剂，更多的CO2将通过低品位热从液体溶剂中去除。
实施例2：本发明的系统和方法，其中与系统100和200相比，两股液体溶剂流保持 液压独立(系统300)
在本发明的一个非限制性实施例中，系统300与系统100和200进行比较。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统100、200和300的模拟中使用CDRMax。所述模拟在布莱恩研究公司提供的名为
Figure BDA0004038611320000471
的软件上运行。
Figure BDA0004038611320000472
是用于模拟尤其是CO2捕获方法和系统的工业标准软件。
系统100、200和300设定为从含有5摩尔％CO2的烟气中去除85％(按重量计)CO2。
在本发明的此非限制性实施例中，系统100使用再生器，所述再生器使用高品位热在120℃的温度下来操作。
在本发明的此非限制性实施例中，系统200和300使用两个再生器。一个再生器使用低品位热在105℃的温度下操作，第二再生器使用高品位热在120℃的温度下操作。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统200中，35％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而65％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。
在本发明的此非限制性实施例中，创建了系统300的两个模拟。所述模拟在布莱恩研究公司提供的名为
Figure BDA0004038611320000473
的软件上运行。
Figure BDA0004038611320000474
是用于模拟尤其是CO2捕获方法和系统的工业标准软件。
在第一模拟中，40％至64％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而36％至60％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。在第二模拟中，60％至83％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而17％至40％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。穿过每个再生器的液体溶剂的比例代表总溶剂存量的百分比，因为系统300的两个回路是液压独立的。
本发明的此非限制性实施例的结果示于图10中。图10比较了系统100、200和300。图10绘制了对于系统100、200和300在CDRMax溶剂的再生中来自高品位热使用的比再沸器负荷(SRD)作为总溶剂存量(低品位热和高品位热再生)和烟气的L/G(按重量计)的函数。
图10示出了当系统300中的液体溶剂以40至64:36至60的比率(以重量％表示的比率)分流(分别穿过在低品位热和高品位热下操作的再生器)时，相对于系统100和200存在对高品位热SRD的改进。
图10示出了当系统300中的液体溶剂以60至83:17至40的比率(其中所述比率可以是按重量％或按体积％的)分流(分别穿过在低品位热和高品位热下操作的再生器)时，相对于系统100、200和以40至64:36至60的比率(其中所述比率可以是以按重量％或按体积％计的)分流的系统300，存在对高品位热SRD的改进。
图10示出了系统300允许在系统300的半贫区段和贫区段中独立地优化液体溶剂的CO2载量。
图10示出了系统300允许在系统300的半贫区段和贫区段中独立地优化液体溶剂的流量。
图10示出了系统300提供了单一设计，其仅通过工序变化提供了在低品位热和高品位热之间转换的能力。
图10示出了系统300中低品位热和热集成的组合使再沸器负荷降低了60％。
实施例3：本发明的系统和方法，其中与系统100、200和300相比，液体溶剂在低品 位热和高品位热再生器之间分流(系统400)
在本发明的一个非限制性实施例中，系统400与系统100、200和300进行比较。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统100、200、300和400中使用CDRMax溶剂。
在本发明的此非限制性实施例中，系统100、200、300和400设定为从含有5摩尔％CO2的烟气中去除85％(按重量计)CO2。
在本发明的此非限制性实施例中，系统100使用再生器，所述再生器使用高品位热在120℃的温度下操作。
在本发明的此非限制性实施例中，系统200、300和400使用两个再生器。一个再生器使用低品位热在105℃的温度下操作，第二再生器使用高品位热在120℃的温度下操作。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统200中，35％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而65％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统300中，60％至83％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而17％至40％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。穿过每个再生器的液体溶剂的比例代表总溶剂存量的百分比，因为系统300的两个回路是液压独立的。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统400中，20％至25％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而75％至80％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。低品位热溶剂回路在恒定溶剂流量下满负荷操作。低品位热再生的比例的变化来自高品位热再生回路流量的变化，并且因此来自总溶剂流量的变化。
在本发明的此非限制性实施例中，溶剂流彼此热独立，并且因此高品位热集成是独立的。
图11比较了系统100、200、300和400。图11绘制了对于系统100、200、300和400在CDRMax溶剂的再生中来自高品位热使用的比再沸器负荷(SRD)作为总溶剂存量(低品位热和高品位热再生)和烟气的L/G(按重量计)的函数。
图11示出了系统400相对于系统100和200降低了高品位热SRD。
实施例4：本发明的系统和方法，其中与系统100、200、300和400相比，两个吸收塔 和两个再生器是液压独立且热独立的(系统500)
在本发明的一个非限制性实施例中，系统500与系统100、200、300和400进行比较。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统100、200、300、400和500中使用CDRMax溶剂。
在本发明的此非限制性实施例中，系统100、200、300、400和500设定为从含有5摩尔％CO2的烟气中去除85％(按重量计)CO2。
在本发明的此非限制性实施例中，系统100使用再生器，所述再生器使用高品位热在120℃的温度下操作。
在本发明的此非限制性实施例中，系统200、300、400和500使用两个再生器。一个再生器使用低品位在105℃的温度下热操作，第二再生器使用高品位热在120℃的温度下操作。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统200中，35％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而65％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统300中，60％至83％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而17％至40％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。穿过每个再生器的液体溶剂的比例代表总溶剂存量的百分比，因为系统300的两个回路是液压独立的。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统400中，20％至25％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而75％至80％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。低品位热溶剂回路在恒定溶剂流量下满负荷操作。低品位热再生的比例的变化来自高品位热再生回路流量的变化，并且因此来自总溶剂流量的变化。
在本发明的此非限制性实施例中，在系统500中，56％至82％(按重量计)的液体溶剂穿过在105℃的温度下操作的再生器，而18％至44％(按重量计)的液体溶剂穿过在120℃的温度下操作的再生器。穿过每个再生器的液体溶剂的比例代表总溶剂存量的百分比，因为系统500的两个回路是液压独立的。
图12比较了系统100、200、300、400和500。图12绘制了对于系统100、200、300、400和500在CDRMax溶剂的再生中来自高品位热使用的比再沸器负荷(SRD)作为总溶剂存量(低品位热和高品位热再生)和烟气的L/G(按重量计)的函数。
图12示出了系统500相对于系统100降低了高品位热SRD，而没有使用显著更多的低品位热。
实施例5：从含有变化量的CO2的烟气中的CO2去除率作为液体溶剂重量流量与气体 重量流量的比率的函数
在本发明的一个非限制性实施例中，将从烟气中的CO2去除率模拟为液体与气体的重量比的函数。
在本发明的此非限制性实施例中，所述系统由一个在不同温度设定点下操作的再生器组成。
在本发明的此非限制性实施例中，使用CDRMax溶剂。
本发明的结果示于图13、图14和图15中。图13、图14和图15是显示去除效率(从烟气中存在的总CO2中捕获的CO2的％)作为液体与气体的比率(L/G)和用于使溶剂再生的热的温度的函数的图。
在此非限制性实施例中，将再生器的温度改变三次以比较温度对从烟气中的CO2去除率的影响。
在此非限制性实施例中，将再生器的温度模拟为120℃、105℃和90℃。
发现液体溶剂在穿过再生器之后的CO2载量受再生温度的限制。
当将再生器的温度模拟为120℃时，贫CO2液体溶剂的CO2载量为0.16mol L-1。然而，当将再生器的温度模拟为105℃时，贫CO2液体溶剂的CO2载量为0.29mol L-1，并且当将再生器的温度模拟为90℃时，贫CO2液体溶剂的CO2载量为0.45mol L-1。
比较例1：15摩尔％CO2烟气
在此非限制性实施例中，将烟气中的CO2浓度设定为15摩尔％。
在图13中，将从含有15摩尔％CO2的烟气的CO2去除率绘制为L/G的函数。如图13中所示，使用在低品位热温度下操作的再生器导致捕获效率低于90％(用高品位热系统实现90％的捕获效率)。
为了达到最大去除率，在低品位热再生系统中提高L/G(即CDRMax溶剂流量增加)。
比较例2：9摩尔％CO2烟气
在此非限制性实施例中，将烟气中的CO2浓度设定为9摩尔％。
在图14中，将从含有9摩尔％CO2的烟气的CO2去除率绘制为L/G的函数。如图14中所示，使用在低品位热温度下操作的再生器导致捕获效率低于用高品位热再生可以实现的捕获效率。在这种情况下，90℃再生仅可以实现从烟气中去除约75％(按重量计)的CO2。
为了达到最大去除率，在低品位热再生系统中提高L/G(即CDRMax溶剂流量增加)。
比较例3：5摩尔％CO2烟气
在此非限制性实施例中，将烟气中的CO2浓度设定为5摩尔％。
在图15中，将从含有5摩尔％CO2的烟气的CO2去除率绘制为L/G的函数。如图15中所示，使用在低品位热温度下操作的再生器导致捕获效率低于用高品位热再生可以实现的捕获效率。在这种情况下，90℃再生仅可以实现从烟气中去除约65％(按重量计)的CO2。
为了达到最大去除率，在低品位热再生系统中提高L/G(即CDRMax溶剂流量增加)。
比较结论
从图13、图14和图15可以看出，当烟气中的CO2浓度从15摩尔％降低到5摩尔％时，捕获效率降低，因为系统受贫溶液“贫夹点(lean pinch)”的平衡浓度限制。
对于高品位热，贫夹点的影响不太显著，用5摩尔％CO2烟气仍可获得大约85％(按重量计)的捕获效率。
对于105℃和90℃，(分别为)0.29mol L-1和0.45mol L-1的贫载量由于平衡限制而显著限制了去除效率。单独的低品位热无法实现工业上典型需要的总去除效率。
本发明结合了低品位热和高品位热以满足典型需要的85％(按重量计)和更高的去除效率，并降低对高品位热的总体需求。本发明提供了可以用于在碳捕获工序中再生贫二氧化碳溶剂的有益方法和系统。在本发明要求保护的方法和系统中低品位热和高品位热的组合为碳捕获工厂提供了有益的选项。先前的方法和系统限于仅用高品位热再生贫二氧化碳溶剂。
低品位热再生器和低品位热再沸器的使用特别适用于废物-能量转化工厂。废物-能量转化工厂为城市提供能量和/或热。在夏季，有充足的高品位热可用。然而，在冬季，高品位热的可用性由于用于加热的内部流程而受到限制，并且因此仅有的可用热是低品位热。在本发明的方法和系统中利用这种低品位热是特别有益的。
当在本说明书和权利要求书中使用时，术语“包含(comprises)”和“包含(comprising)”及其变化意味着包括指定的特征、步骤或整数。这些术语不应被解释为排除其它特征、步骤或部件的存在。
在说明书、或权利要求书、或附图中公开的特征以其特定形式或在执行所公开的功能的手段、或用于获得所公开的结果的方法或工序方面进行表达，可以酌情单独地或以这样的特征的任何组合加以利用，以其多样的形式来实现本发明。

Claims (50)

1.一种用于使包含二氧化碳CO2的溶剂再生的方法，所述方法包括：
提供包含二氧化碳CO2的溶剂；
使所述包含二氧化碳CO2的溶剂穿过低品位热再生器以形成贫二氧化碳CO2溶剂；以及
使所述贫二氧化碳CO2溶剂穿过低品位热再沸器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述低品位热再生器在60℃至小于120℃范围内的温度下操作。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述低品位热再生器在以下范围内的温度下操作：100℃至119℃；或100℃至115℃。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述低品位热再沸器在60℃至小于120℃范围内的温度下操作。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述低品位热再沸器在以下范围内的温度下操作：100℃至119℃；或100℃至115℃。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括：
使包含二氧化碳CO2的溶剂穿过高品位热再生器以形成贫二氧化碳CO2溶剂；以及
使所述贫二氧化碳CO2溶剂穿过高品位热再沸器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述高品位热再生器在等于或大于120℃的温度下操作。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述高品位热再生器在120℃至140℃的温度下操作。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中所述高品位热再沸器在等于或高于120℃的温度下操作。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中所述高品位热再沸器在120℃至140℃的温度下操作。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其中所述低品位热再生器、所述低品位热再沸器、所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述部件中的两个、三个或四个之间穿过。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将离开所述低品位热再沸器的包含二氧化碳CO2的溶剂通至所述高品位热再生器；任选地使其穿过交叉式换热器。
13.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其中：
所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述低品位热再生器与所述低品位热再沸器之间穿过；
所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述高品位热再生器与所述高品位热再沸器之间穿过；并且
所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器与所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器液压独立(不流体连通)且热相关(热连通)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：
将包含二氧化碳CO2的溶剂分成第一流和第二流；
使第一流穿过低品位热再生器和低品位热再沸器；以及
使第二流穿过高品位热再生器和高品位热再沸器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一流与所述第二流液压相关(流体连通)且热相关(热连通)。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一流与所述第二流液压独立(不流体连通)且热相关(热连通)。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一流与所述第二流液压独立(不流体连通)且热独立(不热连通)。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中将包含二氧化碳CO2的溶剂分成第一流和第二流的步骤包括将所述包含二氧化碳CO2的溶剂分成以下的以重量％或体积％计的第一流:第二流的比率：
50:50(±10％)，或
10％至30％:90％至70％，或
70％至90％:30％至10％，或
20％:80％(±10％)，或
25％:75％(±10％)，或
80％:20％(±10％)，或
75％:25％(±10％)。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述低品位热再生器和所述高品位热再生器组合以形成单个组合式高品位热和低品位热再生器。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述组合式低品位热和高品位热再生器、所述低品位热再沸器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述部件中的两个或三个之间穿过。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中：
所述组合式低品位热和高品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述组合式低品位热和高品位热再生器与所述低品位热再沸器之间穿过；和/或
所述组合式低品位热和高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述组合式低品位热和高品位热再生器与所述高品位热再沸器之间穿过。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中所述低品位热再沸器定位在所述组合式低品位热和高品位热再生器的向下中途。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其中将不溶解于所述溶剂中或不与所述溶剂反应的气体(任选为惰性气体，如氢气或氮气)引入到一个或多个再沸器和/或一个或多个再生器内以降低所述一个或多个再沸器和/或所述一个或多个再生器内的温度，由此使得能够仅仅使用低品位热、或能够使用低品位热与高品位热的组合。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其中提供包含二氧化碳CO2的溶剂的步骤包括提供富CO2溶剂；任选地，提供具有2mol L-1至3.3molL-1二氧化碳浓度的富CO2溶剂。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中形成的贫二氧化碳CO2溶剂是具有0.0molL-1至0.7molL-1二氧化碳浓度的贫二氧化碳CO2溶剂。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中提供包含二氧化碳CO2的溶剂的步骤进一步包括：
使烟气与贫二氧化碳CO2溶剂在一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个或更多个吸收塔内接触，其中所述一个或多个吸收塔与所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通。
28.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与高品位热再生器和高品位热再沸器流体连通。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的方法，其中所述溶剂是强化溶剂；任选地，强化溶剂包含叔胺、空间位阻胺、多胺、盐和水；任选地，其中所述溶剂是CDRMax。
30.一种用于使包含二氧化碳CO2的溶剂再生的系统，所述系统包括：
低品位热再生器；和
低品位热再沸器，
其中所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器各自独立地配置成在60℃至小于120℃、或100℃至119℃、或100℃至115℃范围内的温度下使贫二氧化碳CO2溶剂再生。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述系统进一步包括：
高品位热再生器；和
高品位热再沸器；
其中所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器配置成在等于或大于120℃的温度下使所述贫二氧化碳CO2溶剂再生。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述高品位热再生器在120℃至140℃的温度下操作。
33.根据权利要求31或32所述的系统，其中所述高品位热再沸器在120℃至140℃的温度下操作。
34.根据权利要求30至33中任一项所述的系统，其中所述低品位热再生器和所述高品位热再生器组合以形成单个组合式高品位热和低品位热再生器。
35.根据权利要求30至34中任一项所述的系统，其中所述低品位热再生器、所述低品位热再沸器、所述高品位热再生器、所述高品位热再沸器和/或所述组合式高品位热和低品位热再生器流体连通，使得在使用时包含二氧化碳CO2的溶剂在所述部件中的两个、三个或四个之间穿过。
36.根据权利要求35所述的系统，其中将离开所述低品位热再沸器的包含二氧化碳CO2的溶剂通至所述高品位热再生器；任选地使其穿过交叉式换热器。
37.根据权利要求30至36中任一项所述的系统，其中：
所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述低品位热再生器与所述低品位热再沸器之间穿过；
所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述高品位热再生器与所述高品位热再沸器之间穿过；并且
所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器与所述高品位热再生器和所述高品位热再沸器液压独立(不流体连通)且热相关(热连通)。
38.根据权利要求30至37中任一项所述的系统，所述系统进一步包括：
分流器，其用于将所述包含二氧化碳CO2的溶剂分成第一流和第二流，所述分流器配置成允许：
所述第一流穿过低品位热再生器和低品位热再沸器；以及
所述第二流穿过高品位热再生器和高品位热再沸器。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述第一流与所述第二流液压相关(流体连通)且热相关(热连通)。
40.根据权利要求38所述的系统，其中所述第一流与所述第二流液压独立(不流体连通)且热相关(热连通)。
41.根据权利要求38所述的系统，其中所述第一流与所述第二流液压独立(不流体连通)且热独立(不热连通)。
42.根据权利要求38至41中任一项所述的系统，其中所述分流器配置成将所述包含二氧化碳CO2的溶剂按以下的以重量％或体积％计的比率(即第一流:第二流的比率)分成第一流和第二流：
50:50(±10％)，或
10％至30％:90％至70％，或
70％至90％:30％至10％，或
20％:80％(±10％)，或
25％:75％(±10％)，或
80％:20％(±10％)，或
75％:25％(±10％)。
43.根据权利要求34所述的系统，其中
所述组合式低品位热和高品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述组合式低品位热和高品位热再生器与所述低品位热再沸器之间穿过；和/或
所述组合式低品位热和高品位热再生器和所述高品位热再沸器流体连通，使得包含二氧化碳CO2的溶剂在所述组合式低品位热和高品位热再生器与所述高品位热再沸器之间穿过。
44.根据权利要求30至43中任一项所述的系统，其中所述系统配置成将富CO2溶剂转化成贫CO2溶剂；任选地，富CO2溶剂的二氧化碳浓度为2molL-1至3.3molL-1；任选地，贫二氧化碳CO2溶剂的二氧化碳浓度为0.0molL-1至0.7molL-1。
45.根据权利要求30至44中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括：
一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个吸收塔，其中所述一个或多个吸收塔与所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通。
46.根据权利要求45所述的系统，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与所述低品位热再生器和所述低品位热再沸器流体连通。
47.根据权利要求45或46所述的系统，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与高品位热再生器和高品位热再沸器流体连通。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的系统，其中所述一个或多个吸收塔通过交叉式换热器与组合式低品位热和高品位热再生器、所述低品位热再沸器和所述高品位热再沸器流体连通。
49.根据权利要求30至48中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包含不溶解于所述溶剂中或不与所述溶剂反应的气体(任选为惰性气体，如氢气或氮气)，所述气体存在于一个或多个再沸器和/或一个或多个再生器内以降低所述一个或多个再沸器和/或所述一个或多个再生器内的温度，由此使得能够仅仅使用低品位热，或使得能够使用低品位热与高品位热的组合。
50.根据权利要求30至49中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包含强化溶剂；任选地，强化溶剂包含叔胺、空间位阻胺、多胺、盐和水；任选地，其中所述溶剂是CDRMax。
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