CN117042862A - 具有堆叠部分的基于冷氨的二氧化碳减排系统 - Google Patents
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Abstract
在基于氨的二氧化碳捕获系统中，系统的部分堆叠，以形成单个塔并且节省土建工程、占地面积和部件。具体地，氨再生器、二氧化碳水洗涤部分和氨汽提塔堆叠，以形成单个塔。
Description
说明书
技术领域
本发明的实施方案整体涉及用于减少来自烟道气或其他二氧化碳源的二氧化碳排放的技术，并且更具体地涉及用于基于氨的二氧化碳减排(即，用于从烟道气中移除二氧化碳)的系统和方法。
背景技术
世界上使用的大部分能量来源于含有碳和氢的燃料诸如煤、石油和天然气(化石燃料)的燃烧。除了碳和氢之外，这些燃料还含有氧、水分和污染物诸如灰分、硫(通常呈硫氧化物的形式，称为SOx)、氮化合物(通常呈氮氧化物的形式，称为NOx)、氯、汞和其他微量元素。
关于燃烧期间释放在大气中的污染物的破坏作用的认识触发了对来自发电厂、精炼厂和其他工业过程的排放实施越来越严格的限制。对于此类设备的操作者而言，实现污染物的接近零排放的压力增加。
在用于发电或用于生产水泥、钢和玻璃、蒸汽、加热介质和氢气等材料的燃料(例如，煤、石油、泥炭、废物、生物燃料、天然气等)的燃烧中，产生了热烟道气流。除了其他污染物质之外，热烟道气含有大量二氧化碳(CO2)，其导致所谓的温室效应和相关的全球温度升高。
已经开发出旨在减少污染物排放的许多系统和工艺。这些系统和工艺包括但不限于脱硫系统、颗粒过滤器以及使用从烟道气中吸收污染物的一种或多种吸附剂。吸附剂的示例包括但不限于活性炭、氨、石灰石等。
已经表明氨有效地从烟道气流中移除二氧化碳以及其他污染物，诸如二氧化硫和氯化氢。在一个特定的应用中，用氨从烟道气流中吸收和移除二氧化碳在低温下进行，例如在0℃与20℃之间。这些系统基于所谓的冷氨工艺(简称为CAP)。为了保护系统的效率并符合排放标准，期望将氨保留在烟道气流处理系统内，即不应将氨释放到大气中。
在现有技术的CAP系统中，在已经在二氧化碳吸收器中从烟道气流中移除CO2之后，烟道气含有从二氧化碳吸收器中使用的溶剂中放出的大量氨。为了限制氨损失，CAP技术的特征在于所谓的氨洗涤部分(NH3洗涤)，也称为氨水洗涤部分。氨水洗涤部分或NH3洗涤部分包括填充床塔，在填充床塔中，烟道气与水流直接接触。然后，离开NH3水洗涤部分的富氨水在专用塔系统(即汽提器塔)中再生，在汽提器塔中，水和氨被分离。水被路由回到NH3水洗涤部分，氨被再循环回到二氧化碳吸收器。
直接接触式加热器是加热流出NH3水洗涤部分的烟道气的另一个塔。这具有两个效果：产生在直接接触式冷却器中使用的冷水流；以及将烟道气加热至其在烟囱处分散所需的最低温度。馈送到直接接触式加热器的水来自直接接触式冷却器。
当前的CAP技术仍有待于进一步发展以实现更高的效率，例如，在减少所需的空间和系统或工厂的部件的数量或减少投资成本方面。
发明内容
本文公开了一种基于冷氨的二氧化碳去除系统，该系统包括直接接触式冷却器，该直接接触式冷却器适于接收和冷却含有气态二氧化碳的烟道气。该系统还包括二氧化碳吸收器，该二氧化碳吸收器设置在直接接触式冷却器的下游并且流体耦合到该直接接触式冷却器。二氧化碳吸收器适于接收来自直接接触式冷却器的经冷却的烟道气，并经由基于氨的贫CO2溶液从该烟道气吸收气态二氧化碳，以形成基于氨的富CO2溶液流和贫CO2烟道气流。该系统还包括氨水洗涤部分，该氨水洗涤部分流体耦合到吸收器并适于：从该吸收器接收贫CO2烟道气流，经由洗涤溶液从该烟道气吸收氨逃逸，并形成富氨水流。该系统还包括直接接触式加热器，该直接接触式加热器流体耦合到氨水洗涤部分，以从该氨水洗涤部分接收贫CO2、贫氨的烟道气，并加热该烟道气流。
再生器与吸收器流体耦合并适于：从该吸收器接收基于氨的富CO2溶液流，从该基于氨的富CO2溶液流释放CO2，并将基于氨的贫CO2溶液返回到该吸收器。CO2水洗涤部分适于：从再生器接收气态二氧化碳，经由洗涤溶液从二氧化碳流吸收氨，并形成富氨水流。还提供了氨汽提塔，该氨汽提塔适于：从CO2水洗涤部分和从氨水洗涤部分接收富氨水流，从该富氨水流中除去氨，并且将氨向该CO2水洗涤部分和向该氨水洗涤部分返回至吸收器和贫氨洗涤溶液。为了减小系统的总尺寸和占地面积以及所需的设备部件，再生器、CO2水洗涤部分和氨汽提塔堆叠在单个塔中。
在目前优选的实施方案中，CO2水洗涤部分设置在再生器和氨汽提塔之间，再生器设置在塔的下部，并且氨汽提塔设置在塔的上部。然而，不排除其他堆叠顺序。
为了进一步减小系统的总占地面积和部件的数量，在一些实施方案中，直接接触式冷却器、氨水洗涤部分和直接接触式加热器可以依次堆叠在单个塔中。例如，氨水洗涤部分可以设置在直接接触式冷却器和直接接触式加热器之间，并且直接接触式冷却器可以设置在塔的底部。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
图1是根据本公开的使用冷氨工艺(CAP)的基于氨的二氧化碳移除系统的示意图。
具体实施方式
本文公开了对用于使用基于氨的技术移除或减排烟道气流中含有的二氧化碳的系统的改进。为了减小部件的总数和系统的总占地面积，其一些部分堆叠，以形成单个塔。在本文公开的实施方案中，氨再生器、二氧化碳水洗涤部分和氨汽提塔依次堆叠，以形成单个塔。这种新颖的堆叠布置在减少土建工程，特别是减少地基工程方面具有进一步的好处，同时总体上降低了投资成本。
为了优化堆叠部分之间的相互位置并提供其间的有效流体耦合，在一些实施方案中，将氨汽提塔放置在塔的顶部，将再生器放置在塔的底部，并且将二氧化碳水洗涤部分放置在氨汽提塔与再生器之间的中间位置。将CO2水洗涤部分布置在高于再生器的位置，这与从底部再生器到顶部二氧化碳水洗涤部分的气流一致。此外，氨再生器通常具有比氨汽提塔更大的尺寸和重量。因此，出于机械/静态原因，优选地将氨再生器放置在塔的底部。
此外，如果再生器布置在塔的底部，则将富含二氧化碳的溶液从吸收器泵送到再生器所需的液压压头被最小化。例如，将氨汽提器和相关的塔顶冷凝器布置在塔的顶部在安装和拆卸方面提供了优势，以用于维护和清洁目的。
然而，不排除不同的布局。例如，氨汽提塔可以布置在塔的底部，再生器布置在中间位置，并且二氧化碳水洗涤部分布置在塔的顶部。这种布置可以具有以下优点：从二氧化碳水洗涤部分朝向氨汽提塔的液体流动在一些实施方案中可以允许重力流动，因此节省了相关泵。
现在转向附图，在图1中示出了根据本公开的实施方案的基于冷氨的CO2捕获或减排系统1的示意图。
系统1包括直接接触式冷却器3，其中，进入的富CO2的烟道气流FG在通过管线4供给到流体耦合到直接接触式冷却器3的二氧化碳吸收器5之前冷却。在二氧化碳吸收器5中，烟道气中含有的CO2通过与烟道气逆流流动的氨水溶液吸收而从烟道气中移除。富氨和贫CO2的烟道气在顶部处离开二氧化碳吸收器5，并且在吸收器5的底部处收集基于氨的富CO2溶液流，即，富CO2氨水溶液。
在吸收器5的底部收集的富CO2氨水溶液通过管线6输送至再生器7，其中，通过由热交换器8提供的加热从在吸收器5的底部收集的富CO2氨水溶液中除去二氧化碳。
离开再生器7的二氧化碳流仍含有氨，并通过CO2水洗涤部分9输送，该CO2水洗涤部分流体耦合到再生器7并适于从再生器7接收二氧化碳，以从中除去残余氨，然后通过二氧化碳出口9.2从系统中排出二氧化碳。
在再生器7中释放二氧化碳而产生的富氨和贫CO2溶液通过管线12从再生器7的底部经由旨在从再生器7回收热量的热交换器14返回至吸收器5。在热交换器14中，热量从来自再生器7底部的富氨溶液中去除，并用于预热从吸收器5的底部通过管线6流向再生器7的富CO2溶液。
从二氧化碳吸收器5顶部排出的贫CO2、富氨烟道气通过管线10输送至氨水洗涤部分11(或NH3洗涤部分)，其中，通过使烟道气流与来自氨汽提塔20的贫氨洗涤水逆流流过氨水洗涤部分11，从烟道气中去除大部分随烟道气从吸收器5逃逸的氨。然后，贫CO2、贫氨烟道气流被输送至直接接触式加热器13并在被输送至烟囱(未示出)以排放至大气之前被加热。
在氨水洗涤部分11的底部收集富氨水流。富氨水流的一部分在氨水洗涤部分11(管线16)中再循环，并且部分通过管线18输送至氨汽提塔20。沿着管线18布置有热交换器21，其中，来自氨水洗涤部分11的富氨水与来自氨汽提塔20底部的贫氨水流交换热量。
返回管线23将水从氨汽提塔20的底部返回到氨水洗涤部分11的顶部。
除了来自氨水洗涤部分的富氨水之外，氨汽提塔20通过管线19接收来自CO2水洗涤部分9的底部的富氨水流。在CO2水洗涤部分9的底部收集的部分水通过CO2水洗涤部分再循环(管线27)，而来自管线23的清洁水部分流到CO2水洗涤部分9的顶部(管线29)。
在水冷凝后，在氨汽提塔20顶部收集的氨通过管线31返回到吸收器5的底部。
热水在直接接触式加热器13中从顶部到底部相对于贫氨和贫CO2烟道气逆流循环，将热量传递给烟道气，使得烟道气达到适于将烟道气排放到环境中的温度。在直接接触式加热器13中流动的用于烟道气加热的热水由水泵33供给，水泵被布置成在水已经冷却进入的烟道气FG之后泵送在直接接触式冷却器3的底部收集的水。
由水泵33通过提升管线35朝向直接接触式加热器13的顶部泵送水。连接管线37将提升管线35流体耦合到直接接触式加热器13的顶部，热水从该顶部相对于贫CO2贫氨烟道气呈逆流向下流动。
已经在直接接触式加热器中通过与烟道气热交换而部分冷却的水在直接接触式加热器13的底部收集并且通过管线39返回到直接接触式冷却器3。在图1的实施方案中，下降的水流在被供给到直接接触式冷却器3的中间部分之前在第一水冷却器41(例如，冷却塔)中冷却。流过管线39和水冷却器41的部分水在通过管线45被供给到直接接触式冷却器3的顶部之前在第二水冷却器43中进一步冷却。
为了冷凝从氨汽提塔20中处理的富氨水溶液释放的水，在氨汽提塔20的顶部提供冷凝器51。在特别有利和新颖的方法中，冷凝器51的冷侧适于使水从直接接触式冷却器3的底部循环。具体地，如图1所示，冷凝器51的冷侧的入口经由冷却水入口管线53流体耦合，冷却水入口管线直接流体连接到管线35，由水泵33从直接接触式冷却器3的底部泵送的水通过该管线返回到直接接触式加热器13的顶部。冷凝器51的冷侧的出口经由管线55与将直接接触式加热器13与直接接触式冷却器3连接的管线39流体耦合。
或者，如虚线所示，来自冷凝器51的水出口可以流体耦合到通向直接接触式加热器13的顶部的管线37。
在直接接触式冷却器3的底部收集的水的温度高于系统1中可获得的冷却水的通常来源，并且通常用于在氨汽提塔20的顶部冷凝蒸汽。然而，在直接接触式冷却器3的底部的水的温度足够低，以冷凝水并将水返回至氨汽提塔20，同时氨返回至吸收器(管线31)。
与现有技术的基于氨的CO2回收工厂中使用的水冷凝的其它方法相比，使用来自直接接触式冷却器3底部的水来冷凝氨汽提塔20顶部的水具有若干优点。
首先，设置在直接接触式冷却器3的底部的水泵33是高液压压头泵，该高液压压头泵适于到达直接接触式加热器13的顶部。所述泵的液压压头足以到达氨汽提塔20的顶部。因此，相同的泵33可用于两种不同的功能，从而避免需要额外的高液压压头泵来将冷却水泵送至位于氨汽提塔20顶部的冷凝器。从工厂成本的角度以及从减少维护成本和由于机器故障导致工厂停工的风险的角度来看，减少系统1中的泵的数量都是有利的。
此外，使用来自直接接触式冷却器3的部分加热的水作为冷却介质来在氨汽提塔20的顶部冷凝水，避免了当仅部分冷却水流被路由到冷凝器时在容量降低或清洁的热交换器条件下冷却水返回温度(过)高。由于结垢倾向增加以及潜在的建筑材料限制和机械设计温度限制，因此不希望出现高冷却水返回温度。
如图1的示意图所示，在特别有利的实施方案中，再生器7、CO2水洗涤部分9和氨汽提塔20彼此堆叠，从而形成单个塔。这导致特别紧凑的布置，从而减小了系统1的占地面积。此外，减少了土木工程、设备数量、空间需求、水循环系统(管道和泵)，因此在安装、运行和维护成本方面具有优势。
通过将氨汽提塔20堆叠在再生器7的顶部和CO2水洗涤部分9的顶部，氨汽提塔20的冷凝器51位于特别高的位置。因此，使用位于直接接触式冷却器3底部的高液压压头泵33来为冷凝器51提供冷却设施变得特别有利。
在图1的当前优选实施方案中，通过还堆叠直接接触式加热器、氨水洗涤部分11和直接接触式冷却器3，使上述优点最大化。然而，应当理解，可以预见氨汽提塔20、CO2水洗涤部分9和再生器7的堆叠以及相关的有益效果，而不管直接接触式加热器13、直接接触式冷却器3和氨水洗涤部分11的相互布置。例如，在一些实施方案中，直接接触式冷却器3、氨水洗涤部分11和直接接触式加热器13可以被配置为三个单独的塔。或者，这些设备中的两个设备(例如，直接接触式冷却器3和氨水洗涤部分11，或者直接接触式加热器13和氨水洗涤部分11)可以堆叠在单个塔中，而第三个设备保持分离。
此外，还可以结合氨汽提塔20顶部的冷凝器51的不同配置来实现如上所述的多个设备和部分的相互堆叠的优点。
使用在直接接触式冷却器3与直接接触式加热器13之间循环的水来在氨汽提塔20的顶部冷凝水的有益效果也可以在系统中实现，在该系统中，各个部分和设备不是彼此堆叠，或者以与目前描述的和图1所示的方式不同的方式堆叠。
上文已经公开了示例性实施方案并且在附图中说明。本领域技术人员将理解，在不脱离如以下权利要求中所定义的本发明的范围的情况下，可以对本文具体公开的内容进行各种改变、省略和添加。
Claims (6)
1.一种基于冷氨的二氧化碳去除系统，包括：
直接接触式冷却器，所述直接接触式冷却器适于接收和冷却含有气态二氧化碳的烟道气；
二氧化碳吸收器，所述二氧化碳吸收器设置在所述直接接触式冷却器的下游并且流体耦合到所述直接接触式冷却器；其中，所述二氧化碳吸收器适于接收来自所述直接接触式冷却器的经冷却的烟道气，并经由基于氨的贫CO2溶液从所述烟道气吸收所述气态二氧化碳，以形成基于氨的富CO2溶液流和贫CO2烟道气流；
氨水洗涤部分，所述氨水洗涤部分流体耦合到所述吸收器并适于从所述吸收器接收所述贫CO2烟道气流，经由洗涤溶液从所述烟道气吸收氨逃逸，并形成富氨水流；
再生器，所述再生器流体耦合到所述吸收器并适于：从所述吸收器接收所述基于氨的富CO2溶液流，从所述基于氨的富CO2溶液流释放CO2，并将所述基于氨的贫CO2溶液返回到所述吸收器；
CO2水洗涤部分，所述CO2水洗涤部分适于：从所述再生器接收气态二氧化碳，经由洗涤溶液从所述二氧化碳流吸收氨，并形成富氨水流；以及
氨汽提塔，所述氨汽提塔适于：从所述CO2水洗涤部分和从所述氨水洗涤部分接收所述富氨水流，从所述富氨水流中除去氨，并且将氨向所述CO2水洗涤部分和向所述氨水洗涤部分返回至所述吸收器和贫氨洗涤溶液；以及
直接接触式加热器，所述直接接触式加热器流体耦合到所述氨水洗涤部分并且适于：从所述氨水洗涤部分接收所述贫氨、贫CO2的烟道气，并且在将所述烟道气排放到大气中之前加热所述烟道气；
其中，所述再生器、所述CO2水洗涤部分和所述氨汽提塔堆叠在单个塔中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述CO2水洗涤部分设置在所述再生器和所述氨汽提塔之间，所述再生器设置在所述塔的下部，并且所述氨汽提塔设置在所述塔的顶部。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述直接接触式冷却器、所述氨水洗涤部分和所述直接接触式加热器堆叠在单个塔中。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述氨水洗涤部分设置在所述直接接触式冷却器和所述直接接触式加热器之间，所述直接接触式冷却器设置在所述塔的底部。
5.一种用于基于氨的二氧化碳减排系统的组合塔，所述塔组合地包括：
再生器，所述再生器适于与CO2吸收器流体耦合；
CO2水洗涤部分，所述CO2水洗涤部分适于：从所述再生器接收气态二氧化碳，经由洗涤溶液从所述二氧化碳流吸收氨，并形成富氨水流；以及
氨汽提塔，所述氨汽提塔适于从所述CO2水洗涤部分接收所述富氨水流并且将氨返回到所述CO2吸收器，并且将贫氨洗涤溶液返回到所述CO2水洗涤部分。
6.根据权利要求5所述的塔，其中，所述CO2水洗涤部分设置在所述再生器和所述氨汽提塔之间，所述再生器设置在所述塔的下部，并且所述氨汽提塔设置在所述塔的顶部。
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