CN116474518A

CN116474518A - 烟道气脱碳

Info

Publication number: CN116474518A
Application number: CN202310030322.XA
Authority: CN
Inventors: M·A·赞贾尼; D·R·格雷厄姆; D·E·亨利; D·M·赫罗; R·A·杜温
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-07-25

Abstract

一种用于从包括二氧化碳的进料气体中分离二氧化碳的方法可以包括在进料气体压缩机中压缩进料气体以产生经压缩的进料气体。所述方法还可以包括通过吸附过程分离所述经压缩的进料气体，所述吸附过程包括：使用多个吸附床来产生富二氧化碳产物流和二氧化碳贫化流，以及排放步骤。可以从所述吸附床中除去排放气体。所述方法还可以包括在所述进料气体压缩机中压缩所述排放气体，并将所述排放气体与所述经压缩的进料气体组合。

Description

烟道气脱碳

相关申请的交叉引用

本申请要求2022年1月21日提交的美国临时专利申请第63/301,520号的优先权。

背景技术

本公开总体上涉及减少来自含有二氧化碳的废气流的排放，并且更具体地，涉及通过使用变压吸附系统从废气流中回收二氧化碳来减少排放的系统和方法。

诸如发电的工业过程将需要捕获二氧化碳(CO2)，以减轻气候变化的影响。通常，这些过程产生烟道气，在该烟道气中，由于空气贡献的大量惰性氮，CO2处于低压和低浓度，这两个因素均导致从烟道气中捕获碳的高成本。

Hsu等人(US 8,709,136)教导了一种分离高纯度CO2流的吸附方法，其中在真空下抽出来自床的产物CO2，并且利用专用冲洗压缩机使排放气体再循环，以提供冲洗气体，从而提高回收率和纯度。然而，Hsu等人中的吸附循环针对具有较高压力和较高浓度的CO2的进料诸如合成气进行了优化。

Ritter等人(US 2021/0346837)还教导了一种分离高纯度CO2流的吸附方法，其中在真空下抽出来自床的产物CO2。吸附过程的进料仅用鼓风机加压至约1.2巴，以消除增加压缩机的成本。除非另有说明，否则压力在本公开中以bara的绝对单位引用。

需要一种以较低的净能量成本并减少资本设备的数量和尺寸来从烟道气中捕获二氧化碳的方法。

发明内容

本公开涉及一种使用吸附从烟道气中捕获二氧化碳的方法。烟道气在进入吸附过程之前被压缩，并且相同的压缩机用于使来自吸附过程的排放气体再循环。离开吸附过程的高压二氧化碳贫化气体允许使用膜来回收额外的CO2用于再循环和/或使用涡轮机回收能量。

设计吸附过程的重要变量是吸附过程的进料中的CO2的分压。分压的理想范围是吸附材料的函数。

方面1：一种用于从包括二氧化碳的进料气体中分离二氧化碳的方法，所述方法包括在进料气体压缩机中压缩所述进料气体以产生经压缩的进料气体；通过吸附过程分离所述经压缩的进料气体，所述吸附过程包括使用多个吸附床来产生富二氧化碳产物流和二氧化碳贫化流，以及排放步骤，在所述排放步骤期间从所述吸附床中去除排放气体；和在所述进料气体压缩机中压缩所述排放气体，并将所述排放气体与所述经压缩的进料气体组合。

方面2：根据方面1所述的方法，其进一步包括在所述进料气体压缩机中压缩之前降低所述排放气体的压力。

方面3：根据方面1或方面2所述的方法，其进一步包括使所述二氧化碳贫化流膨胀以产生功率。

方面4：根据方面1至3中任一项所述的方法，其进一步包括使源自所述二氧化碳贫化流的流膨胀以产生功率。

方面5：根据方面1至4中任一项所述的方法，其进一步包括通过选择性渗透分离所述二氧化碳贫化流，以产生富二氧化碳渗透物流和贫二氧化碳滞留物流；和在所述进料气体压缩机中压缩所述富二氧化碳渗透物流。

方面6：根据方面1至5中任一项所述的方法，其进一步包括将热能从所述经压缩的进料气体间接传递至所述二氧化碳贫化流。

方面7：根据方面1至6中任一项所述的方法，其中所述经压缩的进料气体中二氧化碳的分压被保持在0.5巴至3.5巴。

方面8：根据方面1至7中任一项所述的方法，其中所述吸附床包括标准沸石13X材料、NaY沸石材料或其组合。

方面9：一种用于从包括二氧化碳的进料气体中分离二氧化碳的方法，所述方法包括压缩所述进料气体以产生经压缩的进料气体；通过吸附过程分离所述经压缩的进料气体，所述吸附过程使用多个包括吸附材料的吸附床来产生富二氧化碳产物流和二氧化碳贫化流；其中所述经压缩的进料气体中二氧化碳的分压被保持在给定的压力范围内；并且其中所述给定的压力范围是所述吸附材料的函数。

方面10：根据方面9所述的方法，其中所述吸附床包括标准沸石13X材料；并且其中所述给定的压力范围在0.5巴至3.5巴之间。

方面11：根据方面9所述的方法，其中所述吸附床包括NaY沸石材料；并且其中所述给定的压力范围在0.5巴至3.5巴之间。

方面12：一种用于从包括二氧化碳的进料气体中分离二氧化碳的系统，所述系统包括进料气体压缩机，所述进料气体压缩机被配置为接收所述进料气体并产生经压缩的进料气体；多个吸附剂床，所述吸附剂床被配置为接收所述经压缩的进料气体并产生富二氧化碳产物流和二氧化碳贫化流，并且其中从所述吸附床中去除排放气体；和排放气体导管，所述排放气体导管被配置为接受所述排放气体，其中所述进料气体压缩机与所述排放气体导管流体流动连通。

方面13：根据方面12所述的系统，其中所述排放气体导管包括减压器。

方面14：根据方面12或方面13所述的系统，其进一步包括膨胀器，所述膨胀器被配置为接受所述二氧化碳贫化流以产生功率。

方面15：根据方面12至14中任一项所述的系统，其进一步包括膨胀器，所述膨胀器被配置为接受源自所述二氧化碳贫化流的流以产生功率。

方面16：根据方面12至15中任一项所述的系统，其进一步包括单个膜级、多个膜级或其组合，其被配置为接收所述二氧化碳贫化流以产生富二氧化碳渗透物流和贫二氧化碳滞留物流；和渗透物导管，所述渗透物导管被配置为接受所述富二氧化碳渗透物流；其中所述渗透物导管与所述进料气体压缩机流体流动连通。

方面17：根据方面12至16中任一项所述的系统，其进一步包括热交换器，所述热交换器被配置为将热能从所述经压缩的进料气体间接传递至所述二氧化碳贫化流。

附图说明

下文将结合附图对本发明进行描述，其中相同的数字表示相同的元件：

图1A是描绘根据本公开的示例性实施例的碳捕获过程的流程图。

图1B是描绘六床真空变压吸附(VPSA)过程的循环的流程图。

图2是描绘图1A中的实施例的修改的流程图，其中骤冷和进料压缩机位于热交换器的上游。

图3是描绘图1A中的实施例的修改的流程图，其中取消了热交换器。

图4是描绘四床真空变压吸附过程的循环的流程图。

图5是对于标准沸石13X材料，功率和CO2回收率作为VPSA的进料中CO2分压的函数的图。

图6是对于NaY沸石材料，功率和CO2回收率作为VPSA的进料中CO2分压的函数的图。

具体实施方式

随后的详细描述仅提供优选的示例性实施例，并且不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，优选的示例性实施例的随后的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的优选的示例性实施例的使能描述。在不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

如本文中使用的冠词“一(a)”或“一个(an)”当应用于说明书和权利要求书中描述的本发明的实施例中的任何特征时表示一个或多个。“一”和“一个”的使用并不将含义限制到单个特征，除非特别说明了这种限制。单数或复数名词或名词短语前面的冠词“该(the)”表示一个特定的指定特征或多个特定的指定特征，并且可以具有单数或复数含义，这取决于其使用的上下文。

置于第一实体和第二实体之间的术语“和/或”包含以下含义中的任一种：(1)仅第一实体，(2)仅第二实体，或(3)第一实体和第二实体。置于3个或更多个实体的列表的最后两个实体之间的术语“和/或”表示该列表中的实体中的至少一者，包含该列表中实体的任何特定组合。例如，“A、B和/或C”具有与“A和/或B和/或C”相同的含义，并且包括A、B和C的以下组合：(1)仅A，(2)仅B，(3)仅C，(4)A和B但没有C，(5)A和C但没有B，(6)B和C但没有A，以及(7)A和B和C。

术语“贫化(depleted)”或“贫(lean)”表示指定的组分的摩尔百分比浓度低于形成该指定的组分的原始流。“贫化的”和“贫的”并不意味着该流完全缺少所指定的组分。

术语“富(rich)”或“富含(enriched)”表示指定的组分的摩尔百分比浓度高于形成该指定的组分的原始流。

术语“间接热交换”是指在两种或更多种流体之间传递显热和/或潜热而所讨论的流体彼此不发生物理接触的过程。热量可以经由许多合适的手段传递，包括通过热交换器的壁或通过使用中间传热流体。术语“热流”是指以低于其进入的温度离开热交换器的任何流。相反，“冷流”是指以高于其进入的温度离开热交换器的流。

图1A示出了碳捕获过程1。在烟道气流12处于低压，例如接近环境压力的情况下，包括二氧化碳的烟道气流12可以任选地在鼓风机10中被压缩。约0.2巴至0.3巴的压力增加通常足以克服下游过程的压降，但也可以高达1巴。除非另有说明，否则在本公开中，所有压力变化将以巴为单位给出。烟道气流可以来自任何合适的二氧化碳排放源，诸如蒸汽甲烷重整器、熔炉、燃气轮机、发电厂、水泥厂、石灰生产厂、精炼加工步骤(例如，流化催化裂化器或FCC)和/或钢铁制造厂。

烟道气流14然后可以进入热交换器20，以通过间接热交换来冷却该流。在至少一些实施例中，经冷却的烟道气流22然后可以进入骤冷塔30，如果需要去除杂质，则使其在骤冷塔中与骤冷水流32接触。在至少一些实施例中，如果需要降低温度但不需要去除杂质，则骤冷塔30可以用另一种类型的冷却器代替。骤冷水流32还可以含有添加剂，诸如碱性化合物，以提高从经冷却的烟道气流22中去除诸如氮氧化物和硫氧化物的化合物的效率。进料气体34以降低浓度的杂质诸如氮氧化物、硫氧化物和颗粒物质离开骤冷塔30，并进入进料气体压缩机40。由于骤冷塔30赋予的较低温度，进料气体34也具有比经冷却的烟道气流22更低的水含量。用过的骤冷水流36离开骤冷塔，并且可以被处理和/或再循环。

进料气体34在进料气体压缩机40中压缩，以产生压力为约2巴至30巴，或约2.5巴至20巴，或约4巴至16巴，或约8巴至12巴的经压缩的进料气体42。进料气体压缩机40可以包括多个级，并且可以配备有级间冷却器，以将经压缩的进料气体42保持在接近环境温度。在压缩和冷却期间冷凝的任何水可以通过任何合适的除水装置诸如分离罐(knockout tank)(未示出)去除。

经压缩的进料气体42进入吸附系统50，该吸附系统使用吸附过程分离经压缩的进料气体42。吸附系统50可以是填充有一种或多种吸附剂的多个吸附床，与经压缩的进料气体42中的其他物质诸如N2相比，所述吸附剂对CO2具有更高的亲和力。吸附过程可以在轴向流动吸附床或径向流动吸附床中进行。吸附系统50可以采用真空变压吸附(VPSA)循环，该循环依次包括(a)进料步骤，(b)减压均衡步骤，(c)排放步骤，(d)排空步骤，(e)增压均衡步骤，和(f)再加压步骤。

图1B示出了对于其中吸附系统50包括标记为50a至50f的六个床的情况的VPSA循环。在至少一些实施例中，进料步骤(a)包括将压力为约2巴至30巴和温度为4℃至100℃的经压缩的进料气体42引入到包括对CO2具有选择性的吸附剂的吸附床50a中。在至少一些实施例中，经压缩的进料气体42可以在接近环境温度下进入吸附床50a。合适的CO2选择性吸附剂包括标准沸石13X(铝硅酸盐的X型晶体结构的钠形式)、非标准沸石13X(其中一部分钠离子已经被反向交换和/或使用不同的粘合剂)、CaX、金属有机框架(MOF)、金属有机材料(MOM)、LiLSX、NaX、NaMSX、NaLSX、NaY、氧化铝、活性炭、硅胶及其混合物。从吸附床50a中抽出二氧化碳贫化流52。在标准沸石13X的实例中，进料步骤可以在30秒至600秒的时间段内发生。该时间段可以通过监测一个或多个任何合适的工艺参数来发现，所述工艺参数为诸如当二氧化碳贫化流52中的二氧化碳的量超过预定的纯度规格(被称为突破)时的二氧化碳的量、二氧化碳产物流的纯度和/或工艺的总体二氧化碳回收率、排放步骤结束时的压力、排空步骤结束时的压力、吸附剂容量、吸附剂选择性、经压缩的进料气体42中的CO2分压、压力均衡步骤的数量和功率成本。一般来说，缩短时间段降低了床的高度并降低了投资成本，但增加了系统消耗的总功率。

减压均衡步骤(b)包括阻止经压缩的进料气体42进入吸附床50a，从吸附床50a抽出压力均衡气体，并将压力均衡气体传送至经历增压均衡步骤的吸附床。在至少一些实施例中，压力均衡气体可以并流抽出，被定义为气体以与进料步骤(a)相同的流动方向流过床。在至少一些实施例中，与其中气体以与进料步骤(a)相反的方向流过床的逆流流动相比，压力均衡期间的并流流动导致更高的总体CO2回收率。CO2的最高浓度在床的进料端，因此当压力均衡气体被并流抽出时，更多的CO2被保留在床上，这提高了CO2回收率和/或CO2产品纯度。在CO2回收率和CO2产品纯度之间存在折衷，这可能受到改变循环时间的影响。可以使用一个或多个减压均衡步骤。在图1B所示的六床循环中，存在三个减压均衡步骤：eq1d、eq2d和eq3d。按顺序，在步骤eq1d中，吸附床50a在增压均衡步骤eq1r中被连接到吸附床50e，在步骤eq2d中，吸附床50a被连接到吸附床50d，并且最后在步骤eq3c中，吸附床50a被连接到吸附床50c。当两个吸附床连接时，它们达到中间压力，该中间压力被定义为当两个压力在它们之间的管道的压降范围内时。

排放步骤(c)包括从吸附床50a抽出排放气体54，直到吸附床的压力从中间压力降低到1巴至1.5巴的压力。在至少一些实施例中，与其中排放气体在与进料步骤(a)相反的流动方向上行进的逆流排放步骤相比，并流排放步骤提高了CO2回收率和/或CO2纯度。这与并流抽出压力均衡气体的原因相同：更多的CO2保留在吸附床50a上。在至少一些实施例中，可以采用逆流排放步骤来降低床流化的风险。排放气体54可以通过与进料气体34组合或直接引入到进料气体压缩机40的入口或级间而再循环，以提高总体CO2回收率和/或CO2纯度，而不需要专用的排放压缩机。在至少一些实施例中，在所得经膨胀的排放气体92在进料气体压缩机40中压缩之前，排放气体54可以任选地通过减压器90减压。减压器90可以用于将排放步骤(c)的压力与进料气体34的压力分离，并增加操作灵活性。令人惊讶的是，在至少一些实施例中，即使排放气体92在压缩前压力降低，该方法的总体效率也可以被提高，这是因为进料气体压缩机40是比专用的排放压缩机具有更高效率的更大机器。与Hsu等人的使用专用的排放压缩机的方法相比，本公开的方法1由于消除了旋转设备而具有改进的可靠性形式的进一步益处。在至少一些实施例中，将排放气体54再循环至进料气体压缩机40允许吸附系统50的多个系列再循环至单个压缩机，与如Hsu等人教导的使用专用的排放压缩机相比，这也改善了控制多个系列的平衡。

排空步骤(d)包括在足以从吸附剂中解吸二氧化碳的排空压力下从吸附床50a中抽出富二氧化碳产物流56，并且随后在任何合适的压缩机、真空鼓风机或类似装置中压缩该富二氧化碳产物流。在图1B所示的示例性实施例中，使用真空鼓风机55从吸附床50a中逆流抽出富二氧化碳产物流56。因为最高浓度的CO2在吸附床50a的进料端，所以逆流抽出富二氧化碳产物流56可以提供更高的效率。在至少一些实施例中，可以采用逆流排空步骤来降低床流化的风险。取决于真空鼓风机的能力和所需的二氧化碳回收率，排空压力的终点可以在0.05巴至0.5巴的范围内。较低的排空压力将需要较大的真空鼓风机，但将提供较高的二氧化碳回收率。如果需要降低流量和/或压力的波动，富二氧化碳产物流56可以被传送到一个或多个缓冲罐(未示出)。

增压均衡步骤(e)包括将压力均衡气体从经历减压均衡步骤的吸附床引入到经历增压均衡步骤的吸附床50a。在至少一些实施例中，压力均衡气体被逆流引入，以简化与经历减压均衡步骤的吸附床的连接，并降低两个连接的吸附床之间的压降。可以使用一个或多个增压均衡步骤。在图1B所示的示例性实施例中，使用了三个增压均衡步骤，其中吸附床50a首先在步骤eq3r中连接到吸附床50e，然后在步骤eq2r中连接到吸附床50d，最后在步骤eq1r中连接到吸附床50c。当两个吸附床连接时，它们达到如在减压均衡步骤(b)中所述的中间压力。

再加压步骤(f)包括将吸附床50a中的压力增加至基本上等于经压缩的进料气体42的压力的压力。可以通过引入经压缩的进料气体42和一部分二氧化碳贫化流52中的至少一种来增加压力。在图1B所示的示例性实施例中，吸附床50a以一部分二氧化碳贫化流52进行逆流再加压，以减少CO2损失并提高总体CO2回收率。吸附床50a和经压缩的进料气体42之间的压力差是由二氧化碳贫化流52和吸附床50a之间的管线中的压降造成的。在再加压步骤(f)结束时，吸附床50a准备好完成循环并开始进料步骤(a)。

富二氧化碳产物流56在第一二氧化碳压缩机60中的一个或多个压缩级中被压缩。在至少一些实施例中，经压缩的二氧化碳流62然后可在二氧化碳纯化单元70中纯化。根据下游二氧化碳应用的纯度规格，二氧化碳纯化单元70可以包括脱氧单元和/或脱水单元。在至少一些实施例中，二氧化碳纯化单元70包括脱氧单元，该脱氧单元使经压缩的二氧化碳流62与还原剂72(诸如氢气)反应，以消耗氧气并分离反应副产物流76(诸如水)。经纯化的二氧化碳流74可以任选地在第二二氧化碳压缩机80中被进一步压缩，以形成适合于封存、储存、强化油回收、利用和/或液化的二氧化碳产物流82。在至少一些实施例中，如果二氧化碳产物进入液相，则一个或多个压缩级可以用泵代替。

在至少一些实施例中，二氧化碳贫化流52可以任选地进料至膜分离系统100，该膜分离系统可以包括单个膜级或串联和/或并联的多个膜级。二氧化碳贫化流通过选择性渗透被分离成富二氧化碳渗透物流102和贫二氧化碳滞留物流104。二氧化碳相对于较慢的物质(诸如氮气)选择性地透过膜。在至少一些实施方式中，二氧化碳在膜材料中的较高溶解度导致比具有较低溶解度的类似大小的分子诸如氮气更快的渗透速率。

Sanders等人(《聚合物(Polymer)》；第54卷；第4729-4761页；2013)提供了当前膜技术的便利总结。他们描述了聚合物膜的物理参数和性能特征，所述聚合物膜包括聚苯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素、聚酰亚胺(诸如Matrimid 5218或P-84)、聚酰胺、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚氧化乙烯、聚二甲基硅氧烷、共聚物、嵌段共聚物或聚合物共混物。现有的工业上有用的气体分离主要是用聚合物诸如上面列出的那些或橡胶材料诸如硅酮进行的。额外的膜材料可以包括混合基质膜、全氟聚合物、热重排聚合物、促进传输膜、金属-有机框架、沸石-咪唑盐框架、电化学膜、金属膜和碳分子筛。膜分离系统100中的膜材料可以是上面列出的任何材料，或者对一些化合物诸如二氧化碳具有较快渗透速率而对一些化合物诸如氮气具有较慢渗透速率的任何其他材料。

合适的膜材料可以被制造为中空纤维并被包装为膜束，或者可以被制造为平板，被包装为螺旋缠绕或板框单元，以便提供更大的表面积与体积比，并容纳在模块中。进入模块的气体与膜接触，并且一部分气体渗透穿过膜并以较低压力的渗透物流的形式离开模块。相对于较慢渗透的气体，较快渗透的气体将在渗透物中富集。没有渗透穿过膜的气体的级分以非渗透物或滞留物流的形式离开模块，相对于较快渗透的气体，该流富含较慢渗透的气体。膜级被定义为一个或多个膜模块，其被布置成使得每个进料口彼此流体流动连通，每个渗透物出口彼此流体流动连通，并且每个滞留物出口彼此流体流动连通。

富二氧化碳渗透物流102可以通过与进料气体34组合或直接引入到进料气体压缩机40的入口或级间中而被循环，以提高总体回收率，而无需专用的渗透物压缩机。贫二氧化碳滞留物流可以在热交换器20中相对于烟道气流14加热。经加热的贫二氧化碳流106然后可以在膨胀器110中膨胀以产生排出气体(vent gas)112。膨胀器110包括一个或多个具有任选的级间加热的级，以产生可以用于驱动进料气体压缩机40或产生电力的功率。在至少一些实施例中，级间加热的来源可以由热交换器20、来自进料气体压缩机40的级间冷却、来自第一二氧化碳压缩机60的级间冷却、来自第二二氧化碳压缩机80的级间冷却和/或来自上游和/或下游工艺的废热提供。

图2所示的流程图说明了碳捕获过程2的实施例，其中热交换器20移动到骤冷塔30和进料气体压缩机40的下游。这种布置允许通过经加热的贫二氧化碳流106捕获由进料气体压缩机40产生的热量，该热量进而可以在膨胀器110中作为有用功回收。

图3所示的流程图说明了碳捕获过程3的实施例，其中取消了热交换器20。在至少一些实施例中，可以通过冷却器345向温热的经压缩的进料气体342提供额外的冷却负荷，以产生经压缩的进料气体42。通过取消热交换器降低了系统的投资成本，并且以降低的总体效率为代价，大大简化了系统的操作性。消除对贫二氧化碳滞留物流104的加热减少了可以通过使该流膨胀而捕获的能量的量。

图4所示的流程图说明了具有多个吸附系列的碳捕获过程的第4部分。在图4所示的示例性实施例中，吸附系统50包括四个吸附床450a至450d。如从循环图中可以看出，与图1B中的六床循环相比，主要变化是单个压力均衡步骤。至少一部分经压缩的进料气体42被分开以形成经压缩的进料气体集管442，该集管将经压缩的进料气体供应给一个或多个平行的吸附系列。真空鼓风机455被显示为允许排空步骤达到低于环境压力。排放气体集管492将排放气体从一个或多个平行的吸附系列再循环到共用的进料气体压缩机40。

实例1

使用内部工艺模拟器SIMPAC来模拟根据图1A的具有图4所示的4床循环的碳捕获过程。在1巴压力和187℃下用水饱和的烟道气14(包括按体积计19％的CO2和61％的N2，余量为O2和痕量Ar)被冷却、骤冷并压缩至8巴。经压缩的进料气体42在46℃下离开进料气体压缩机40。分离罐除去液态水，并且经压缩的进料气体42在进料步骤中进入吸附床。吸附床填充有商业上可获得的氧化铝和商业上可获得的标准13X沸石。当进料步骤中的吸附床几乎被水和/或CO2饱和时，经压缩的进料气体42被切换为进料到另一个吸附床。选择进料步骤的时间段以实现90.6％的总体CO2回收率。进料步骤中的吸附床被连接至刚刚已经完成排空步骤的低于大气压的吸附床。当两个床达到约3.5巴的中间压力时，压力均衡步骤完成。处于减压均衡步骤的吸附床被连接至减压器90，并且离开吸附床的排放气体被再循环到进料气体压缩机40，直到吸附床的压力达到1.34巴。在排放步骤中的吸附床被连接至真空鼓风机455，并且被抽空到约0.13巴的压力，产生纯度为96.8％CO2的富二氧化碳产物流56。在排空步骤完成后，吸附床被连接至减压均衡步骤中的吸附床，直到压力增加到约3.5巴。然后吸附床被进料有至少一部分二氧化碳贫化流52，直到床被重新加压到8巴进料压力的10％以内。这完成了循环，并且吸附床可以被连接至经压缩的进料气体42。

实例2

使用内部工艺模拟器SIMPAC来模拟根据图1A的具有图1B所示的6床循环的碳捕获过程。包括70％N2、25％CO2和5％O2的进料流34在四级离心进料压缩机40中被压缩至10巴，并在50℃下以20,000lbmol/h的流速进入吸附系统50。六个14英尺直径的吸附床中的每一个都被填充有商业上可获得的标准沸石13X至22英尺的高度。总循环时间为20分钟。

在排空步骤的过程中，真空鼓风机从吸附床的底部移除约24,000acfm的富二氧化碳产物流56。排空步骤在约0.17巴的压力下完成，这是用作为真空鼓风机55的商业上可获得的三级螺杆式压缩机可达到的真空水平。

二氧化碳贫化流52包括92.5％的N2，并且富二氧化碳产物流56包括95％的CO2。整个过程实现了97％的CO2回收率和98％的N2回收率。

在进料压缩机40中压缩排放气体54增加了268kW的总功率需求，然而，在专用的排放螺杆式压缩机中压缩排放气体54将增加313kW。因此，利用进料压缩机40再循环排放气体54节省了约15％的功率，通过消除设备降低了投资成本，提高了可靠性，并且简化了设计。

图5示出了对于经压缩的进料气体42中一系列CO2分压值的功率需求和CO2回收率的图。使用上述进料并调节吸附床的高度和最终排空压力来模拟每种情况，以使回收率最大化，同时保持富二氧化碳产物流56的纯度为至少90％CO2。对于P_CO2等于0.5巴的情况，碳捕获过程1的总功率被归一化为1。随着CO2分压的增加，功率需求和CO2回收率两者均有所提高。对于低于0.5巴的P_CO2，CO2回收率太低以至于不可行，但是对于高于3.5巴的P_CO2，可以看到功率的急剧增加，而CO2回收率的改善可忽略不计。高于1巴，CO2回收率被认为是高的。这是出乎意料的，因为较高的P_CO2值通常会提高碳捕获过程的驱动力。

实例3

图6示出了对于用等体积的NaY沸石替代标准13X沸石材料的模拟的经压缩的进料气体42中的一系列CO2分压值的功率需求和CO2回收率的图。在总体CO2回收率方面可能会观察到增加。相比之下，本领域普通技术人员将会理解类似的沸石吸附剂将提供类似结果的结论。

尽管上文已经结合优选的实施例描述了本发明的原理，但应清楚地理解，该描述仅通过示例的方式进行，并且不作为对本发明的范围的限制。

Claims

1.一种用于从包括二氧化碳的进料气体中分离二氧化碳的方法，所述方法包括：

在进料气体压缩机中压缩所述进料气体以产生经压缩的进料气体；

通过吸附过程分离所述经压缩的进料气体，所述吸附过程包括：使用多个吸附床来产生富二氧化碳产物流和二氧化碳贫化流，以及排放步骤，在所述排放步骤期间从所述吸附床中去除排放气体；和

在所述进料气体压缩机中压缩所述排放气体，并将所述排放气体与所述经压缩的进料气体组合。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述进料气体压缩机中压缩之前降低所述排放气体的压力。

3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使所述二氧化碳贫化流膨胀以产生功率。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使源自所述二氧化碳贫化流的流膨胀以产生功率。

5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过选择性渗透分离所述二氧化碳贫化流，以产生富二氧化碳渗透物流和贫二氧化碳滞留物流；和

在所述进料气体压缩机中压缩所述富二氧化碳渗透物流。

6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将热能从所述经压缩的进料气体间接传递至所述二氧化碳贫化流。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述经压缩的进料气体中二氧化碳的分压被保持在0.5巴至3.5巴。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸附床包括标准沸石13X材料、NaY沸石材料或其组合。

9.一种用于从包括二氧化碳的进料气体中分离二氧化碳的方法，其包括：

压缩所述进料气体以产生经压缩的进料气体；

通过吸附过程分离所述经压缩的进料气体，所述吸附过程包括：使用多个包括吸附材料的吸附床来产生富二氧化碳产物流和二氧化碳贫化流；

其中所述经压缩的进料气体中二氧化碳的分压被保持在给定的压力范围内，其中所述给定的压力范围是所述吸附材料的函数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述吸附床包括标准沸石13X材料，并且其中所述给定的压力范围在0.5巴至3.5巴之间。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述吸附床包括NaY沸石材料；并且其中所述给定的压力范围在0.5巴至3.5巴之间。

12.一种用于从包括二氧化碳的进料气体中分离二氧化碳的系统，所述系统包括：

进料气体压缩机，所述进料气体压缩机被配置为接收所述进料气体并产生经压缩的进料气体；

多个吸附床，所述吸附床被配置为接收所述经压缩的进料气体并产生富二氧化碳产物流和二氧化碳贫化流，并且其中从所述吸附床中去除排放气体；和

排放气体导管，所述排放气体导管被配置为接受所述排放气体，其中所述进料气体压缩机与所述排放气体导管流体流动连通。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述排放气体导管包括减压器。

14.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括膨胀器，所述膨胀器被配置为接受所述二氧化碳贫化流以产生功率。

15.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括膨胀器，所述膨胀器被配置为接受源自所述二氧化碳贫化流的流以产生功率。

16.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括单个膜级、多个膜级或其组合，其被配置为接收所述二氧化碳贫化流以产生富二氧化碳渗透物流和贫二氧化碳滞留物流；和

渗透物导管，所述渗透物导管被配置为接受所述富二氧化碳渗透物流，其中所述渗透物导管与所述进料气体压缩机流体流动连通。

17.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括热交换器，所述热交换器被配置为将热能从所述经压缩的进料气体间接传递至所述二氧化碳贫化流。