TW201235082A - A method of cleaning a carbon dioxide containing gas, and a carbon dioxide purification system - Google Patents

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Description

201235082 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種清除在銷爐中在含氧氣氣體存在下燃 燒燃料所產生之富含二氧化碳氣體的方法。 本發明進一步關於一種氣體純化系統，用於清除在包含 • 鍋爐之鍋爐系統中在含氧氣氣體存在下燃燒燃料所產生之 富含二氧化碳氣體。 【先前技術】 在燃燒廠（諸如發電廠）中，燃料（諸如煤 '油、泥煤、廢 料等）燃燒時產生熱處理氣體，該處理氣體除含其他組分 之外亦含二氧化碳c〇2。隨著環境需求增強，已開發出自 處理氣體移出二氧化碳之多種方法。一種該方法為所謂氧 化燃料方法（oxy-fuel process)。在氧化燃料方法中，燃料 (諸如上述燃料之一）在貧氮氣氣體存在下燃燒。由氧氣源 提供之氧氣供應至鋼爐，在其中氧氣氧化燃料。在氧化燃 料燃燒製程中’產生富含二氧化碳廢氣，為了減少二氧化 碳排入大氣中，可處置該富含二氧化碳廢氣。 處置之前’必須清除二氧化碳氣體。W0 2010/021053揭 • 示一種氣體清除系統，在該系統中，鍋爐中產生之熱處理 • 氣體經受氮氧化物、灰塵及二氧化硫之移除《熱處理氣體 (為昌含二氧化碳氣體）隨後經受水銀移除步驟以在處置其 之前清除富含二氧化碳氣體。 【發明内容】 本發明之一目標為提供一種清除在鋼爐十在含氧氣氣體 I61034.doc 201235082 存在下燃燒燃料所產生之富含二氧化碳廢氣之方法，該方 法比先前技術方法更高效。 此目標係藉助於清除在锅爐中在含氧氣氣體存在下燃燒 燃料所產生之富含二氧化碳廢氣之方法達成，該方法包含 壓縮富含二氧化碳廢氣， 冷卻壓縮之富含二氧化碳廢氣至第—溫度， 輸送冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣通過水銀吸附器以移 除冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中的至少一部分水銀含 量， 進一步冷卻壓縮之富含二氧化碳廢氣至第二溫度，其低 於第一溫度，及 輸送進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣通過乾燥器以 移除進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中的至少一部分 水含量* 此方法之一優勢為水銀吸附及水蒸氣移除皆可在各別操 作之有效溫度下達成。此外，兩次操作之間不需要加熱氣 體，因此降低功率消耗。 根據一個實施例，冷卻壓縮之富含二氧化碳廢氣至第一 溫度之步驟包含冷卻至高於壓縮之富含二氧化碳廢氣中的 水蒸氣的露點溫度之第一溫度。此實施例之一優勢為避免 水蒸氣在水銀吸附器中冷凝。該冷凝可能對水銀吸附器及 其中所用活性材料之效率及壽命有害。 根據一個實施例’冷卻氣體至第一溫度之步驟包含冷卻 氣體至南於壓縮之富含二氧化碳廢氣中的水蒸氣的露點溫 161034.doc • 6 · 201235082 度5 C至30 C之第一溫度。冷卻至高於露點溫度不到5 °C之 溫度因水蒸氣冷凝之風險增加而不太具吸引力。冷卻至高 於露點溫度超過30。(：之溫度因水銀吸附效率降低而亦不太 具吸引力。 根據一個實施例，進一步冷卻壓縮之富含二氧化碳廢氣 至第二溫度（其低於第一溫度）之步驟包含冷卻至低於壓縮 之富含二氧化碳廢氣中的水蒸氣的露點溫度之第二溫度。 此實施例之一優勢為一些水蒸氣發生冷凝，其增加下游乾 燥器之效率》 根據一個實施例，進一步冷卻壓縮之富含二氧化碳廢氣 之步驟包含冷卻至高於壓縮之富含二氧化碳廢氣的二氧化 碳水合物形成溫度0°C至40°C之第二溫度。冷卻至低於二 氧化碳水合物形成溫度之溫度不太具吸引力，因為固態二 氧化碳水合物之形成可對冷卻器中進行進一步冷卻壓縮之 虽含二氧化碳廢氣之步驟之操作有害。冷卻至高於二氧化 碳水合物形成溫度超過40°C之溫度亦不太具吸引力，因為 氣體乾燥器中水蒸氣吸附效率變得不夠高效，導致所需要 的乾燥器不必要地大及昂貴。 根據一個實施例，壓縮富含二氧化碳廢氣之步驟包括藉 助於氣體之壓縮來加熱壓縮之富含二氧化碳廢氣至高於第 一溫度之溫度。此實施例之一優勢為利用壓縮熱獲得起始 溫度’氣體可自該起始溫度冷卻至第一及第二溫度。因 此，在正常操作期間不需要另外加熱。 根據一個實施例，壓縮富含二氧化碳廢氣包括藉助於氣 161034.doc 201235082 體之壓縮來加熱壓縮之富含二氧化碳廢氣至60°C至270〇c 之溫度。此實施例之一優勢為60至270°c之溫度通常可藉 由壓縮機高效作功以壓縮富含二氧化碳廢氣、作為壓縮之 結果獲得。壓縮之後不到60。(：之溫度通常意謂壓縮已產生 壓力相當低的壓縮氣體。因此，將需要更多壓縮階段。壓 縮之後超過270°C之溫度通常意謂壓縮能效較低，導致過 量熱損失。 本發明之另一目標為提供一種純化系統，用於清除在鋼 爐中在含氧氣氣體存在下燃燒燃料所產生之富含二氧化碳 廢氣，該純化系統比先前技術系統更高效。 此目標係藉助於清除在锅爐中在含氧氣.氣體存在下燃燒 燃料所產生之富含二氧化碳廢氣之氣體純化系統達成，該 氣體純化系統包含： 壓縮機，用於壓縮富含二氧化碳廢氣， 第一氣體冷卻器’如畐含二氧化碳廢氣之流向所示，其 配置於壓縮機下游，用於冷卻壓縮之富含二氧化碳廢氣， 水銀吸附器，其配置於第一氣體冷卻器下游，用於移除 冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中的至少一部分水銀含量， 第二氣體冷卻器，其配置於水銀吸附器下游，用於進— 步冷卻壓縮之富含二氧化碳廢氣，及 氣體乾燥器’其配置於第二氣體冷卻器下游，用於移除 進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中的至少一部分水含 量。 此純化系統之一優勢為其在投資及操作成本方面極為高 16l034.doc 201235082 效。不需要包括各別加熱器，且加熱功率需求得到限制。 根據一個實施例，純化系統進一步包含控制系統，其包 含在第一氣體冷卻器下游量測冷卻之壓縮富含二氧化碳廢 氣之溫度之感測器，控制系統進一步包含根據所測溫度控 制第一氣體冷卻器之控制裝置。此實施例之—優勢為可2 準確地控制水銀吸附器之操作溫度。 根據一個實施例，純化系統包含配置於第二氣體冷卻器 與氣體乾燥器之間用於自進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳 廢氣收集液態水的聚水器。此實施例之一優勢為可降低氣 體乾燥器之水負載。因此，氣體乾燥器尺寸可最小化，同 時仍可使離開氣體乾燥器之富含二氧化碳廢氣中的殘餘水 含量相同。 根據一個實施例，氣體純化系統包含加熱系統，用於在 氣體純化系統起動之前促進加熱之氣體通過水銀吸附器。 此實施例之一優勢為水銀吸附器内之水蒸氣在起動期間冷 凝之風險降低。 本發明之其他目標及特徵自說明書及申請專利範圍將顯 而易見》 【實施方式】 現將參考隨附圖式更詳細描述本發明。 圖1為鍋爐系統1之示意性側視圖。鍋爐系統丨包含鍋爐 2(在此實施例中為氧化燃料鍋爐）、如4示意性所示之蒸汽 渦輪機發電系統、及氣體清除系統6作為主要組件。氣體 清除系統6包含微粒移除裝置，其可為例如織物過濾器或 161034.doc -9· 201235082 靜電除塵器8 ;及二氧化硫移除系統，其可為濕式洗氣器 10 ° 燃料（諸如煤、油或泥煤）含於燃料庫丨2中且可經由供給 管14供應至鍋爐2。氧氣源16以本身已知之方式有效提供 氧氣。氧氣源16可為自空氣有效分離氧氣之空氣分離裝 置、氧氣分離膜、儲罐或任何其他向鍋爐系統1提供氧氣 之來源。供給管18有效輸送所產生之氧氣（通常包含9〇體 積％至99.9體積％之氧氣〇2)至鋼爐2。管道2()有效輸送含有 二氧化碳之再循環廢氣至鍋爐如圖〗所指示，供應管“ 在鍋爐2上游連接管道20，使得氧氣與含有二氧化碳之再 循環廢氣可在鍋爐2上游彼此混合而形成氣體混合物其 通常含有約20體積％至50體積％之氧氣、其餘部分主要為 二氧化碳及水蒸氣。因為幾乎無空氣進入鍋爐2，所以幾 乎無氮氣供應至鍋爐2。在實際操作中，供應至鍋爐2之氣 體體積中，空氣體積小於3%，纟主要以空氣、;贫漏形式經 由例如鍋爐2及氣體清除系統6進入鍋爐系統i。鍋爐2有效 地使經由供給管14供應之燃料在經由管道20供應之與再循 %廢氣（含有二氧化碳）混合的氧氣存在下燃燒。蒸汽管Μ 有效地將鍋爐2中由於燃燒產生之蒸汽輸送至有效產生呈 電功率形式之功率的蒸汽渦輪機發電系統4 ^ 管道24有效地將鍋爐2中產生之富含二氧化碳廢氣輸送 至除塵装置8« 「富含二氧化碳廢氣」意謂經由管道24離 4鋼爐2之廢氣將含有至少4〇體積％之二氧化碳c〇”通常 離開鋼爐2之廢氣中超過5〇體積％將為二氧化碳。通常， I61034.doc 201235082 離開鍋爐2之廢氣將含有50體積％至8〇體積％之二氧化碳。 「虽含二氧化碳廢氣」之其餘部分將為約丨5體積％至4〇體 積％之水蒸氣（Ηβ)、2體積％至7體積％之氧氣（〇2)(因為在 鍋爐2中氧氣稍微過量通常為較佳）及共計約〇至1〇體積％之 其他氣體（主要包括氮氣（N2)及氬氣（Ar)，因為很少可完全 避免一些空氣洩漏）。 鍋爐2中產生之富含二氧化碳廢氣通常可包含呈例如粉 塵粒子形式之污染物氫氯酸HC1、硫氧化物80?(及重金屬 (包括水銀Hg)，該等污染物應在處置二氧化碳之前自富含 二氧化碳廢氣至少部分移除。 除塵裝置8自㊂含一氧化碳廢氣移除大部分粉塵粒子。 管道26有效地自織物過濾器8輸送富含二氧化碳廢氣至氣 體清除系統6之濕式洗氣器1〇。濕式洗氣器1〇包含循環泵 28，其有效地使吸收液（包含例如石灰石）在漿液循環管3〇 中肩衣自濕式洗氣器10底部循環至一組配置於濕式洗氣 器10上部之喷嘴32。漿液噴嘴32有效地將吸收液精細分佈 於濕式洗氣器1〇中以達成吸收液與廢氣（經由管道送至 濕式洗氣器10且在濕式洗氣器1〇内實質上垂直地向上流 動）之間之良好接觸，以實現自富含二氧化碳廢氣高效移 除二氧化硫S02及其他酸性氣體。 至乂 刀 >月除之备含二氧化碳廢氣經由管道3 4離開濕式 洗氣器10，該管道將廢氣送至氣體分流點36，其中至少部 刀/月除之虽含一氧化碳廢氣被分成兩個流，亦即經由管道 20再循環回到鍋爐2之第一流及經由管道38送至呈鍋爐系 161034.doc 201235082 統1之氣體壓縮及純化單元(GPU)40形式的氣體純化系統之 第⑽纟GPU 40中，清除之富含二氧化碳廢氣經進一步 清除且壓縮供處置。壓縮之二氧化碳因此經由管道Μ離開 GPU 40且送去處置，其有時稱為「c〇2封存」。經由管道 20再循環回到鍋爐2之第一流在離開濕式洗氣器1〇之部分 清除之虽含二氧化碳廢氣之總流量中通常佔5〇體積％至乃 體積％。因此，離開濕式洗氣器1〇之部分清除之富含二氧 化碳廢氣之總流量中通常佔25體積％至5〇體積％之第二流 經由管道38送至GPU 40,其將在下文中更詳細描述。 圖2更詳細地說明GPU 4〇。應理解圖2之說明具示意性且 GPU可包含其他用於氣體純化之裝置等。 GPU 40包含至少一個具有至少一個且通常兩個至十個壓 縮階段之壓縮機用於壓縮清除之富含二氧化碳廢氣。各壓 縮階段可配置為獨立單元。作為替代方案，且如圖2中所 說明’若干壓縮階段可藉由共用驅動裝置來操作。圖2之 GPU 40包含具有第一壓縮階段42、第二壓縮階段44及第三 壓縮階段46之壓縮機40'。第一至第三壓縮階段42、44、46 一起形成GPU 40之低壓壓縮單元48。壓縮階段42、44、46 與由壓縮機40'之馬達52驅動之共用驅動軸50連接。 GPU 40包含至少一個配置於壓縮階段42、44、46中之一 者下游的氣體純化系統中間冷卻及水銀吸附單元54。在圖 2之實施例中’中間冷卻及水銀吸附單元54係配置於第三 壓縮階段46之下游，亦即低壓壓縮單元48之下游。應理解 中間冷卻及水銀吸附單元54亦可配置於第一壓縮階段42之 16l034.doc -12- 201235082 下游或第一壓縮階段44之下游。亦可在Gpu中配置一個以 上中間冷卻及水銀吸附單元5 4 ’例如第二壓縮階段44下游 的一個中間冷卻及水銀吸附單元及第三壓縮階段46下游的 一個中間冷卻及水銀吸附單元54。另外，亦可在下游未配 置中間冷卻及水銀吸附單元54之一些或所有彼等壓縮階段 之下游配置中間冷卻單元5 6，其具有中間冷卻及水銀吸附 單元54之中間冷卻功能、但沒有其水銀吸附功能。因此， 中間冷卻單元56可配置於圖2之GPU 40之第一壓縮階段42 及第二壓縮階段44之下游。所說明的一個該視情況選用之 中間冷卻單元5 6位於第一壓縮階段42之下游。 清除之富含二氧化碳廢氣經由管道38進入GPU 40且引入 第一壓縮階段42中。管道5 8輸送來自第一壓縮階段42之壓 縮氣體，視情況經由中間冷卻單元56，至第二壓縮階段 44。管道60輸送來自第二壓縮階段44之壓縮氣體，視情況 經由未圖示之中間冷卻單元’至第三壓縮階段46。管道62 輸送來自第三壓縮階段46之壓縮氣體至中間冷卻及水銀吸 附單元5 4。 中間冷卻及水銀吸附單元54之主要部件為第一氣體冷卻 器64、水銀吸附器66、第二氣體冷卻器68及氣體乾燥器 70。水銀吸附器66有效地移除壓縮氣體中之至少一部分水 銀含量。氣體乾燥器70用來移除壓縮氣體中之至少一部分 水蒸氣含量。中間冷卻及水銀吸附單元54之部件將在下文 中參考圖3更詳細描述。 管道72自中間冷卻及水銀吸附單元54輸送其中已移除至 161034.doc -13- 201235082 少一部分水銀及水蒸氣含量的壓縮氣體至GPU 40之視情況 選用之其他單元。GPU 40之該等視情況選用之其他單元之 實例包括不冷凝氣體移除單元，例如C〇2液化單元73，其 中氣體在熱交換器（通常稱為冷箱）中經冷卻，以促使二氧 化碳液化，使得二氧化碳可與在二氧化碳之液化溫度下不 液化之氣體（諸如氮氣）分離《此外，如根據二氧化碳之輸 送方向可見，GPU 40可包含配置於c〇2液化單元73下游且 包含一或多個壓縮階段的高壓壓縮單元74，用於壓縮二氧 化碳至適合壓力以封存。在高壓壓縮單元74中壓縮氣體之 後’可呈超臨界狀態或液態的壓縮二氧化碳經由管道4 1送 至C02封存地點76。 圖3更詳細地描述中間冷卻及水銀吸附單元54。在第三 壓縮階段4 6中壓縮之富含二氧化碳廢氣經由流體連通管道 62進入中間冷卻及水銀吸附單元54。剛好位於第三壓縮階 段46下游之壓縮之富含二氧化碳廢氣可具有1〇巴至6〇巴絕 對壓力之壓力及通常60。(：至270。(：之溫度，該溫度為中間 冷卻及水銀吸附單元54進行其操作時氣體之起始溫度。在 一個實例中，離開第三壓縮階段46之壓縮之富含二氧化碳 廢氣可具有120°C之起始溫度及35巴絕對壓力之壓力。 壓縮之S含二氧化碳廢氣經由流體連通管道62進入第一 氣體冷卻器64 ^冷卻介質迴路78與第一氣體冷卻器64連接 用於擔％第一氣體冷卻器64中之冷卻介質，諸如冷卻空 氣、冷卻水、冷卻油或另一適合冷卻劑。作為另一替代方 案，第一氣體冷卻器64可為空氣冷卻型。冷卻之壓縮富含 161034.doc 201235082 二氧化碳廢氣經由流體連通管道80離開第一氣體冷卻器 64。溫度感測器82係配置於管道80中以量測冷卻之壓縮富 含二氧化碳廢氣之溫度。阻尼器或閥84係配置於冷卻液迴 路78中用於控制冷卻介質向第一氣體冷卻器64之流動。溫 度感測器82控制閥84以供應適量之冷卻介質。通常，溫度 感測器82控制冷卻介質向第一氣體冷卻器64之流動以使得 經冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣具有高於壓縮之富含二氧 化碳廢氣中的水的露點溫度5°C至30°C的第一溫度。露點 溫度為氣體混合物中之水蒸氣開始冷凝成液態水的溫度。 液態水將對下游水銀吸附器66之功能有害，且因此，冷卻 之壓縮富含二氧化碳廢氣較佳冷卻至高於露點溫度之第一 溫度。水銀吸附器66傾向於溫度愈低操作愈高效，且因此 較佳冷卻至高於壓縮之富含二氧化碳廢氣中的水的露點溫 度不超過30°C的第一溫度。在一個實例中，離開第一氣體 冷卻器64的冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣具有60°C之第一 溫度，該溫度比所討論之冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中 之水之50°C露點溫度高l〇°C。 冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣經由流體連通管道80送至 水銀吸附器66。水銀吸附器66具備填料86，填料86包含對 水銀具有親和力之水銀吸附劑。吸附劑可為例如浸潰有硫 之活性碳或本身已知對水銀具有親和力的其他材料。因 此，當冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣通過填料86時，氣體 中之至少一部分水銀含量將吸附於填料86之水銀吸附劑 上。 161034.doc -15- 201235082 其中已移除至少一部分水銀含量之冷卻之壓縮富含二氧 化碳廢氣經由流體連通管道88送至第二氣體冷卻器68。通 常，水銀吸附器66與第二氣體冷卻器68之間不配置壓縮機 或其他氣體加熱裝置。冷卻液迴路90與第二氣體冷卻器68 連接用於循環第二氣體冷卻器68中之冷卻介質，諸如乙二 醇-水混合物、氨-水混合物、有機致冷劑或其他適合冷卻 劑。冷卻液迴路90之冷卻劑具有比冷卻之壓縮富含二氧化 碳廢氣低之溫度。因此，在第二氣體冷卻器68中實現冷卻 之壓縮富含二氧化碳廢氣的進一步冷卻。進一步冷卻之壓 縮富含二氧化碳廢氣經由流體連通管道92離開第二氣體冷 卻器68。溫度感測器94係配置於管道92中以量測進一步冷 卻之壓縮富含二氧化碳廢氣之溫度。閥96係配置於冷卻液 迴路90中用於控制冷卻劑向第二氣體冷卻器68之流動。溫 度感測器94控制閥96以供應適量之冷卻劑。通常，溫度感 測器94控制冷卻劑向第二氣體冷卻器68之流動以使得進一 步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣具有低於上述第一溫度且 高於壓縮之富含二氧化碳廢氣之二氧化碳水合物形成溫度 0°C至40°C的第二溫度。二氧化碳水合物形成溫度為包含 二氧化碳及水蒸氣之氣體混合物中之二氧化碳及水開始形 成固態水合物的溫度，參見例如Tamman，G.及Krige, G. J. (1925): 「Equilibrium pressures of gas hydrates. j Zeit.
Anorg. undAlgem. Chem.，146，第 179 頁至第 195 頁。形成 固態二氧化碳水合物將對第二氣體冷卻器68之功能有害， 且因此，進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣較佳冷卻至 161034.doc •16- 201235082 咼於二氧化碳水合物形成溫度之第二溫度。更佳，進一步 冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣係冷卻至高於二氧化碳水合 物形成/里度且低於虽含二氧化碳廢氣中之水露點溫度的第 二溫度。藉由促使一些水蒸氣冷凝且較佳如在下文中所述 在氣液分離器中移除藉此所形成之液體，可降低須由氣體 乾燥器70移除之殘餘水蒸氣負載。溫度愈低，須由氣體乾 燥器70移除之殘餘水蒸氣負載則進一步降低，從而乾燥設 備愈小。因此，較佳冷卻至比進一步冷卻之壓縮富含二氧 化碳廢氣之二氧化碳水合物形成溫度高不超過4〇t>c的第二 溫度。在一個實例中，進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢 氣具有15C之第二溫度，該溫度比所討論之進一步冷卻之 壓縮富含二氧化碳廢氣之6。〇二氧化碳水合物形成溫度高 9〇C。 進步冷卻之壓縮®含二氧化碳廢氣經由流體連通管道 92送至視情況選用之氣液分離器98。氣液分離器％將第二 氣體冷卻器68中進一步冷卻氣體所引起之冷凝作用所產生 的水滴與剩餘氣體分離。水滴收集於氣液分離器98之下部 1〇〇中。液位計102量測氣液分離器98中之液體量。配置於 氣液分離器98之下部100中之排水管1〇4具備閥1〇6。液位 计102控制閥1〇6，且當氣液分離器98中之液位太高時命令 閥106打開。當打開閥106時，液體經由排水管1〇4自氣液 分離器98排向水處理裝置log。 進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣經由流體連通管道 110自氣液分離器98進一步送至氣體乾燥器70〇氣體乾燥 161034.doc •17· 201235082 器70具備填料112,填料H2包含對水蒸氣具有親和力之水 蒸氣吸附劑（亦稱為乾燥劑）。乾燥劑可為例如石夕膠、硫酸 鈣、氣化鈣、尚嶺土、分子篩或本身已知用作乾燥劑的其 他材料。因此，當進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣通 過填料H2時，氣體中之至少一部分水蒸氣含量將吸附於 填料112之乾燥劑上。 其中已移除至少一部分水蒸氣含量的進一步冷卻之壓縮 虽含二氧化碳廢氣經由流體連通管道丨丨4送至視情況選用 之過;慮器116。過滤器116具備過濾插入件118，其可具有 織物袋、金屬過濾網、陶瓷管及本身已知可自氣體高效移 除固體粒子的其他裝置形式。該等粒子可例如來源於水銀 吸附器66之填料86之吸附劑材料及/或來自氣體乾燥器7〇 之填料112之乾燥劑。微粒材料可導致壓縮階段磨損或阻 塞C〇2液化單元，且因此，在如圖2所說明將氣體經由流體 連通管道72送至C〇2液化單元73及高壓壓縮單元74之前藉 助於過濾器116自氣體移除任何微粒材料可為適合的。 在一個實例中，經由管道72離開中間冷卻及水銀吸附單 元54的進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣具有^它之溫 度及恰好低於30巴絕對壓力之絕對壓力，因為當氣體通過 單7L54時存在微小壓降為正常的。氣體中之水銀及水蒸氣 含量亦降低。如圖2中所說明，該氣體適用於在c〇2液化單 元73及网壓壓縮單元74中進一步處理，且最終經由管道q 送至一氧化碳封存76。舉例而言，（3〇2液化單元73之熱交 換器（亦稱為冷箱）通常可由鋁製成。鋁可與水銀以不期望 161034.doc 201235082 的方式反應。藉由C02液化單元73上游之吸附器66自富含 二氧化碳廢氣中移除水銀，可避免或至少最小化該等問 題。此外’在一些情況下亦需要自二氧化碳移除水銀以符 合C02封存76所需之規格。 回到圖3，中間冷卻及水銀吸附單元54具備間歇再生氣 體乾燥器70之水蒸氣吸附能力的再生及加熱系統12〇。再 生及加熱系統120亦用於在起動時預熱水銀吸附器66。供 給管122經配置以向系統120供應再生氣體。再生氣體較佳 為不與填料86及112反應之惰性氣體。適合氣體之實例包 括氮氣、來自例如管道41之清潔二氧化碳或較佳具有少量 水銀及水蒸氣的其他惰性氣體。較佳，在c〇2液化單元73 中自二氧化碳分離的通常包含氮氣為其主要成分之一的惰 性廢氣用作再生氣體。再生系統12〇包含適合於加熱再生 氣體之加熱器124。加熱迴路126與加熱器124連接用於循 環加熱器124中之加熱介質，諸如蒸汽。加熱之再生氣體 經由流體連通管道128離開加熱器124。溫度感測器13〇係 配置於管道128中以量測加熱之再生氣體之溫度。閥132係 配置於加熱迴路12 6中用於控制加熱介質向加熱器j 2 4之流 動。溫度感測器130控制閥132以供應適量之加熱介質。為 了在起動時預熱水銀吸附器66之填料86之材料，加熱器 124通常可加熱再生氣體至約4(rc至8〇£>c之溫度。為了再 生軋體乾燥|§70之填料112之材料，加熱器124通常可加熱 再生氣體至約120°C至300eC之溫度。 水銀吸附器隔離閥134、136分別配置於管道88、8〇上。 161034.doc 201235082 在預熱程序期間，關閉閥134、136以隔離水銀吸附器66， 且加熱之再生氣體係經由與管道128流體連通之管道138自 再生及加熱系統12〇供應至水銀吸附器66。再生氣體加熱 填料86之材料。水銀穩固結合至填料86之材料，此意謂在 其預熱期間無或幾乎無水銀自填料86釋放。廢再生氣體經 由管道140離開水銀吸附器66。不含有水銀或含有極低濃 度水銀之廢再生氣體可釋放至大氣中。 當填料86已根據其吸附能力吸附水銀時，關閉閥134、 13 6且用新鮮填料8 6置換廢填料8 6。 氣體乾燥器隔離閥142、144分別配置於管道114、11 〇 上°在再生程序期間，關閉閥〗42、144以隔離氣體乾燥器 70 ’且加熱之再生氣體係經由與管道128流體連通之管道 146自再生及加熱系統120供應至氣體乾燥器70。再生氣體 加熱填料112之材料且促使水蒸氣解吸附。含有解吸附之 水蒸氣之廢再生氣體經由管道148離開氣體乾燥器70。因 為水銀吸附器66係安裝於氣體乾燥器7〇之上游，所以無水 銀或僅極少量之水銀吸附於氣體乾燥器7〇之填料U2之材 料中。因此’無水銀或幾乎無水銀在氣體乾燥器7〇之再生 期間解吸附。就水銀而論’來自氣體乾燥器7〇之廢再生氣 體極為清潔，且因此可釋放至大氣中。 應理解當閥13 4、13 6關閉時，沒有富含二氧化碳氣體可 通過水銀吸附器66。根據一個實施例，GPU 40可具備兩個 並聯水銀吸附器66，彼等並聯吸附器之一 66處於操作狀 態，而另一個並聯吸附器經歷填料S6之置換。根據另一實 161034.doc •20· 201235082 施例’富含二氧化碳廢氣可在置換填料86期間排放至大氣 亦應理解當閥142、144關閉時，沒有富含二氧化碳氣體 可通過氣體乾燥器70。根據一個實施例，GPU 40可具備兩 個並聯氣體乾燥器70，彼等並聯氣體乾燥器之一7〇處於操 作狀態’而另一個並聯氣體乾燥器7〇經歷再生。根據另一 實施例，富含二氧化碳廢氣可在氣體乾燥器7〇之填料112 再生期間排放至大氣中。 在圖1所說明之锅爐系統1起動時，鋼爐系統1之大多數 部件（包括中間冷卻及水銀吸附單元54之大多數部件）為冷 的，此意謂其視周圍溫度而定通常具有約〇 〇C至2 5 °c之溫 度。該等低溫造成水銀吸附器66内之氣體溫度在起動期間 有低於水之露點溫度之風險’其可導致在填料86内發生不 期望的液態水冷凝。為避免該水冷凝，如上文所述利用再 生及加熱系統120，以在GPU 40起動開始之前預熱水銀吸 附器66。此預熱可如下達成：利用再生及加熱系統12〇將 例如40°C至80°C溫度之加熱氣體（諸如加熱氮氣、加熱之 清潔二氧化碳氣體或加熱廢氣（例如含有諸如氮氣及氧之 不冷凝氣體之廢氣））經由管道128及138送至水銀吸附器66 以達成填料86之預熱，以避免在起動期間填料86中形成任 何水滴。 圖4根據替代實施例說明呈二氧化碳分離單元24〇形式之 氣體純化系統。二氧化碳分離單元240之許多特徵與氣體 壓縮及純化單元4〇之特徵類似，且給圖4之彼等類似特徵 161034.doc •21 · 201235082
指定之參考編號與圖丨之參考編號相同。二氧化碳分離單 兀240與圖1中所說明之氣體壓縮及純化單元4〇不同之處在 於二氧化碳係藉助於低溫方法與其他氣體（諸如空氣及氮 氣）分離。在低溫方法中，富含二氧化碳廢氣經壓縮且冷 卻至使得二氧化碳液化之低溫，隨後可達成與其他氣體的 分離，該等其他氣體的沸騰溫度比二氧化碳低且有時稱為 「不冷凝氣體」。不冷凝氣體之實例包括氮氣、氧氣及氬 氣。用於分離及回收二氧化碳之低溫方法之實例揭示於US 2008/0173584及 US 2010/0215566 中。 回到圖4 ’二氧化碳分離單元240包含以壓縮階段246說 明之氣體壓縮機240'、中間冷卻及水銀吸附單元254及低溫 分離單元243作為其主要單元。氣體壓縮機240'可與在上文 中參考圖2所述壓縮機40'相當類似，且係由馬達52驅動。 壓縮氣體經由管道262送至中間冷卻及水銀吸附單元254之 第一氣體冷卻器64。第一氣體冷卻器64以如上文中參考圖 3所述類似方式冷卻氣體至第一溫度，冷卻之壓縮氣體隨 後經由管道80送至水銀吸附器66。水銀吸附器66以如上文 中參考圖3所述類似方式吸附氣體中的水銀。冷卻之壓縮 氣體隨後經由管道88送至第二氣體冷卻器68。第二氣體冷 卻器68以如上文中參考圖3所述類似方式進一步冷卻氣體 至第二溫度。進一步冷卻之壓縮氣體隨後經由管道92送至 氣體乾燥器70。氣體乾燥器70以如上文中參考圖3所述類 似方式吸附氣體中的水蒸氣。中間冷卻及水銀吸附單元 254視情況可進一步包含圖3中所揭示類型之氣液分離器及 •22· 161034.doc 201235082 /或過濾器及/或再生系統。 氣體經由管道272離開氣體乾燥器70且進入低溫分離單 元243。在低溫分離單元243中，二氧化碳與不冷凝氣體分 離。因此，通常包含液化二氧化碳的富含二氧化碳流經由 管道241離開低溫分離單元243且可送往二氧化碳封存。不 冷凝氣體流經由管道245離開低溫分離單元243且可釋放至 大氣中。 低溫分離單元243通常可包含所謂的冷箱247。冷箱247 可為可由鋁製成之多通道熱交換器，低溫分離單元243之 各種流可於其中加熱及冷卻。根據一個方案，冷卻液迴路 290與第二氣體冷卻器68連接用於冷卻氣體至第二溫度。 如圖4中所示，冷卻液迴路290可與冷箱247連接，以便將 冷卻液迴路290中循環之冷卻劑冷卻時利用冷箱247之冷卻 能力。 可作為冷箱247結構之一部分所包括的鋁可以不期望的 方式與水銀反應。藉由低溫分離單元243之冷箱247上游之 吸附器66自富含二氧化碳廢氣移除水銀，可避免或至少最 小化該等問題。此外，在一些情況下亦需要自二氧化碳移 除水銀以符合二氧化碳封存所需之規格。 應理解上述實施例之眾多變化形式可屬於隨附申請專利 範圍之範®壽内。 上文已描述包括壓縮機40’、240'、第一氣體冷卻器64、 水銀吸附器66、第二氣體冷卻器68及氣體乾燥器70之氣體 純化系統可如何整合為GPU 40之部件，如圖2至3中所說 161034.doc •23· 201235082 明，或可如何與低溫分離單元243組合，如圖4中所說明。 應理解，需要時，此類型之氣體純化系統及其操作方法亦 可與其他類型的製程整合，以便自富含二氧化碳廢氣移除 水銀及水蒸氣。此外，上述類型之氣體純化系統亦可整合 於GPU 40之其他部件中且以除上文所述以外之方式與低溫 分離單元243組合。 概括而言’清除在鋼爐中在含氧氣氣體存在下燃燒燃料 所產生之富含二氧化碳廢氣的氣體純化系統4〇包含： 壓縮機40'，用於壓縮富含二氧化碳廢氣， 第一氣體冷卻器64’用於冷卻壓縮之富含二氧化碳廢 氣， 水銀吸附器66，配置於第一氣體冷卻器64下游，用於移 除冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中之至少一部分水銀含 量， 第二氣體冷卻器68，配置於水銀吸附器66下游，用於進 一步冷卻壓縮之富含二氧化碳廢氣，及 氣體乾燥器70,用於移除進一步冷卻之壓縮富含二氧化 碳廢氣中之至少一部分水含量。 雖然本發明已參考大量較佳實施例加以描述，但熟習此 項技術者應瞭解在不悖離本發明之範疇的情況下可進行各 種變化且可用相等物替代其元件。此外，可在不悖離本發 明之主要範疇的情況下進行多處修改以使特定情況或材料 適應本發明之教示。因此，希望本發明不限於作為本發明 之最佳實施方式所揭示的特定實施例，而且本發明將包括 161034.doc -24 · 201235082 屬於隨附申請專利範圍之範嗔& & J靶圍之軏疇内的所有實施例。此外，使 用術5口第一、第-莖又志 罘一等不表不任何次序或重要性，而是術語 一、第二等用來區別一個元件與另一個。 【圖式簡單說明】 圖1為鍋爐系統之示意性側視圖。 圖2為氣體壓縮及純化單元之示意性側視圖。 圖3為中間冷卻及水銀吸附單元之示意性側視圖。 圖4為低溫二氧化破分離方法之示意性側視圖。 【主要元件符號說明】 1 鍋爐系統 2 锅爐 4 蒸汽渦輪機發電系統 6 氣體清除系統 8 靜電除塵器/除塵裝置/織物過濾器 10 濕式洗氣器 12 燃料庫 14 供給管 16 氧氣源 18 供給管 20 管道 22 蒸汽管 24 管道 26 管道 28 循環泵 161034.doc -25- 201235082 30 漿液循環管 32 喷嘴 34 管道 36 氣體分流點 38 管道 40 氣體壓縮及純化單元 40' 壓縮機 41 管道 42 第一壓縮階段 44 第二壓縮階段 46 第三壓縮階段 48 低壓壓縮單元 50 共用驅動轴 52 馬達 54 中間冷卻及水銀吸附單元 56 中間冷卻單元 58 管道 60 管道 62 管道 64 第一氣體冷卻器 66 水銀吸附器 68 第二氣體冷卻器 70 氣體乾燥器 72 管道 161034.doc -26- 201235082 73 C02液化單元 74 高壓壓縮單元 76 C02封存地點 78 冷卻介質迴路/冷卻液迴路 80 管道 82 溫度感測器 84 阻尼器/閥 86 填料 88 管道 90 冷卻液迴路 92 管道 94 溫度感測器 96 閥 98 氣液分離器 100 氣液分離器98之下部 102 液位計 104 排水管 106 閥 108 水處理裝置 110 管道 112 填料 114 管道 116 過濾、器 118 過濾插入件 161034.doc -27- 201235082 120 再生及加熱系統 122 供給管 124 加熱器 126 加熱迴路 128 管道 130 溫度感測器 132 閥 134 水銀吸附器隔離閥 136 水銀吸附器隔離閥 138 管道 140 管道 142 氣體乾燥器隔離閥 144 氣體乾燥器隔離閥 146 管道 148 管道 240 二氧化碳分離單元 240' 氣體壓縮機 241 管道 243 低溫分離單元 245 管道 246 壓縮階段 247 冷箱 254 中間冷卻及水銀吸附單元 262 管道 161034.doc -28- 201235082 272 290 管道 冷卻液迴路 161034.doc •29

Claims (1)

  1. 201235082 七、申請專利範圍： 1. 一種清除在鍋爐（2)中在含氧氣氣體存在下燃燒燃料所產 生之富含二氧化碳廢氣之方法，該方法包含 壓縮該富含二氧化碳廢氣， 冷卻該壓縮之富含二氧化碳廢氣至第一溫度， 輸送該冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣通過水銀吸附器 (66)以移除該冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中的至少一 部分水銀含量， 進一步冷卻該壓縮之富含二氧化碳廢氣至第二溫度， 其低於該第一溫度，及 輸送該進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣通過乾燥 器（70)以移除該進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中 的至少一部分水含量。 2. 如請求項1之方法，其中冷卻該壓縮之富含二氧化碳廢 氣至第一溫度之該步驟包含冷卻至高於該壓縮之富含二 氧化碳廢氣中之水蒸氣的露點溫度的第一溫度。 3. 如請求項1之方法，其進一步包含冷卻至高於該壓縮之 富含二氧化碳廢氣中之水蒸氣的露點溫度5°C至30°C的 第一溫度。 4. 如請求項1之方法，其中進一步冷卻該壓縮之富含二氧 化碳廢氣至低於該第一溫度之第二溫度的該步驟包含冷 卻至低於該壓縮之富含二氧化碳廢氣中之水蒸氣的露點 溫度的第二溫度。 5. 如請求項1之方法，其進一步包含冷卻至高於該壓縮之 161034.doc 201235082 $含二氧化碳廢氣之二氧化碳水合物形成溫度〇。匚至 40°C的第二溫度。 6. 如晴求項丨之方法，其中壓縮該富含二氧化碳廢氣之該 步驟包括藉助於該氣體之壓縮來加熱該壓縮之富含二氧 化碳廢氣至高於該第一溫度之溫度。 7. 如晴求項1之方法，其進一步包含藉助於該氣體之壓縮 來加熱該壓縮之富含二氧化碳廢氣至6〇〇c至27〇«c之溫 度。 8· 種氣體純化系統’用於清除在鋼爐（2)中在含氧氣氣體 存在下燃燒燃料所產生之富含二氧化碳廢氣，該氣體純 化系統之特徵在於包含： 壓縮機（40’ ； 240’），用於壓縮該富含二氧化碳廢氣， 第一氣體冷卻器（64)，如該富含二氧化碳廢氣之流向 所示’其配置於該壓縮機（4〇· ; 240')下游，用於冷卻該 壓縮之富含二氧化碳廢氣， 水銀吸附器（66)，配置於該第一氣體冷卻器（64)下游， 用於移除該冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣中之至少一部 分水銀含量， 第二氣體冷卻器（68)，配置於該水銀吸附器（66)下游， 用於進一步冷卻該壓縮之富含二氧化碳廢氣，及 氣體乾燥器（70)，配置於該第二氣體冷卻器（68)下游， 用於移除該進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣十的至 少一部分水含量。 9.如請求項8之氣體純化系統’其進一步包含控制系統 161034.doc 201235082 (82、84) ’該控制系統包含量測 _ 』这第一氣體冷卻器（64) 下游之該冷卻之壓縮富含二氧化磁 乳化碳廢虱之溫度的感測器 ()’该控制系統進一步包含根播兮 _ / i 3很據該所測溫度控制該第 一氣體冷卻器（64)之控制裝置（84)。 ίο. 11. 如明求項8之氣體純化系統，其進一步包含聚水器（98)， 其配置於該第二氣體冷卻器（68)與該氣體乾燥器（7〇)之 間，用於自該進一步冷卻之壓縮富含二氧化碳廢氣收集 液態水。 如5目求項8之氣體純化糸統’其進一步包含加熱夺会先 (120)，用於在該氣體純化系統起動之前輸送加熱之氣體 通過該水銀吸附器（66)。 161034.doc
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