TWI501804B - 藉由在水洗液中之ｃｏ產物液體捕集氨 - Google Patents

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Description

藉由在水洗液中之CO 2 產物液體捕集氨
本發明係關於一種用以處理燃燒煙道氣體(combustion flue gas)之方法及系統。更具體言之，其係關於在冷氨法(chilled ammonia process；CAP)中捕集氨。
從主要含氮氣、氧氣、氫氣、一氧化碳及/或甲烷之氣體流(諸如煙道氣體、天然氣、合成氣或其他氣體流)中以工業方式分離酸性組分(諸如H2 S、CO2 、COS及/或硫醇)所用之方法通常係使用包含胺化合物或氨水溶液之液體溶液為溶劑。該等酸性組分通常在吸收方法或洗滌過程中會被吸收。該等酸性組分被該等溶液「洗滌」後，污染物(諸如微量的氨)必須在分離處理步驟中從氣體流中移除。
為此目的，最常使用的方法為污染物之清洗或洗滌步驟。在此種水洗步驟中，該氣體流係以適宜接觸裝置中的水進行洗滌。典型地，用以洗滌氣體流之水為乾淨的水或以與氣體流處理有關之清理法所得之NH3 含量極低的水。該氣體流經以水洗滌後，將水1)送回至獲其位置處之清理單元，或2)簡單地與主要洗滌過程中所用之溶液進行混合。
存在著已知其中系統及方法之效率係經改良的方法。在WO 2009/138363中，其揭示一種藉由使氣體流與含CO2 液體接觸而用以移 除氣體流中污染物之方法。該等方法被認為可應用於如氨之污染物，如此得以減少污染物之排放。同樣在US 5 378 442中，係描述一種接觸含CO2 液體以回收存在於燃燒排放氣體中之氨的方法。
洗滌過程中(例如在清理單元中)，用過的洗滌液之再生通常是能源密集的，且因而係一種昂貴方法。因此，總是存在對改良清洗效率及/或減少洗滌液消耗量之方法的需求。用過的洗滌液可經由將特定組分從洗滌液中清理掉以再生洗滌液而完成洗滌液的再生作用。
本發明一目的在於改良氣體純化過程中清洗/洗滌步驟之效率，更具體言之，係改良氨自吸收器系統中之經處理燃燒氣體之捕集及回收。
根據本文所述之各個態樣，用於在冷氨法(CAP)中捕集氨之經改良方法及系統最終可以降低離開清洗/洗滌步驟之氨的濃度，且因此增加回到吸收器系統之回收氨之量。此有助於保持在吸收器系統之溶液中氨的濃度，及亦可防止過量氨的流失。
減少自水洗單元流出之經處理煙道氣體之氨排放支持冷氨法中氨之滯留。當於下游過程中再加熱經處理煙道氣體時，中和氨所需之硫酸含量亦會降低。
根據本文所述之態樣，係提供一種在冷氨法中所包含之水洗單元捕集存在於經受二氧化碳移除處理之燃燒煙道氣體中之氨之方法，該方法包括以下步驟：-提供CO2 負載液體，其包含溶解於液體中之CO2 ；-提供水洗液；-組併該CO2 負載液體與該水洗液，以形成富含CO2 之水洗液，接著將該液體添加至該水洗單元，以抑制存在於該富含CO2 之水洗液表面上之NH3 之平衡蒸氣壓；及 -藉由將該富含CO2 之水洗液添加至該水洗單元，使該燃燒煙道氣體與該富含CO2 之水洗液接觸。
不斷將來自(例如)CO2 冷卻器之CO2 負載液體添加至洗滌水中，以維持低氨分壓。根據從水洗系統之氨排放及溶液中所需氨分壓，可調整、減少或增加該液體之量，以滿足洗滌要求。
根據該方法一些實施例，洗滌水中氨之濃度係介於0.0005-3 mol/公升之範圍。例如，在具有頂部階段及較低階段之水洗單元中，該頂部階段之氨濃度係約0.005至0.2 mol/公升，而該較低階段之氨濃度係約0.5至3 mol/公升。此濃度範圍涵蓋乾淨洗滌水及與CO2 負載液體混合之洗滌水兩者。以此洗滌水中之氨濃度進行操作，可將氨的蒸汽壓維持在低水平，例如，低到足以將呈氣相狀態的氨洗滌至低於200 ppm。一般而言，藉由降低洗滌水溶液中NH3 濃度、藉由降低洗滌液之操作溫度及/或經由混合CO2 負載液體流化學性地抑制氨之分壓可改良氨捕集(及將NH3 分壓維持在低位)。只要在該液體上之CO2 分壓係高的，且並未形成固體，那麼NH3 濃度就不那麼重要。
根據該方法一些實施例，富含CO2 之水洗液之氨(NH3 )莫耳量比上二氧化碳(CO2 )莫耳量的比例(R值)係維持在約0.05至10，較佳約0.1至5，更佳約1。
根據該方法一些實施例，洗滌水中氨濃度係於0.0005-3 mol/公升之範圍，較佳0.05-2 mol/公升之範圍，而呈液相狀態之CO2 分壓係介於1與20巴之間。
根據該方法一些實施例，用於氨移除之水洗液在與CO2 負載液體組併前係包含約0.0005 mol/公升至0.2 mol/公升的氨(NH3 )。
根據該方法一些實施例，洗滌水單元之操作溫度係約1℃至約10℃；較佳約5℃。
藉由在此等特定溫度範圍內進行再捕集氨之方法，可將氨之蒸 汽壓維持在低位。只要可以達到此等操作溫度，任何的冷凍劑均可考慮作為運作介質。適宜的冷凍劑為丙烷、丙烯及氨。
根據該方法一些實施例，富含CO2 之水洗液之氨(NH3 )莫耳量比上二氧化碳(CO2 )莫耳量的比例(亦可表示為R值)係維持在約0.05至10，較佳約0.1至5，更佳約1至4。水洗液之R值越低，氨捕集結果越佳。
根據本文所述之態樣，係提供一種自燃燒煙道氣體中捕集氨(NH3 )之氣體純化系統，其係藉由使該氣體與含有呈液體形式溶解的二氧化碳CO2 之富含CO2 之水洗液接觸，其中該系統包括：- 用於捕集氨NH3 之水洗單元，- 一或多條用於再循環水洗液之水洗液輸送管；- 一或多個產生CO2 負載液體之單元；- CO2 負載液體輸送管，其可將CO2 負載液體自該等一或多個產生CO2 負載液體之單元運送至該水洗液輸送管，以抑制水洗液上之NH3 之平衡蒸氣壓；及- 一或多條富含CO2 之水洗液輸送管，其可將整合CO2 負載液體與水洗液後所產生之富含CO2 之水洗液運送至該水洗單元，以使該富含CO2 之水洗液與燃燒煙道氣體接觸。
根據該氣體純化系統一些實施例，該等用以產生CO2 負載液體之單元為CO2 產物冷卻器及/或CO2 壓縮器系統，其係以獨立或共同方式運作產生CO2 負載液體。
根據本文所述之態樣，係提供一種藉由洗滌水單元自燃燒廢氣捕集氨(NH3 )之氣體純化系統，該洗滌水單元包括至少一個填充床部分，較佳為二或更多個填充床部分。
水洗單元可為一種適宜的容器，如管柱。填充床係經選擇以便能提供存在於該水洗單元中組分之充分質量轉移，從而能自燃燒廢氣 中吸收NH3 。該水洗單元可包括一或多個相同或不同，並以不同方式配置之填充床。
根據該氣體純化系統一些實施例，富含CO2 之水洗液係藉由富含CO2 之水洗液輸送管引導至洗滌水單元之底部部分。
來自CO2 產物冷卻器及/或CO2 產物壓縮器之CO2 負載液體的整合液可以引導至水洗單元頂部部分或水洗單元底部部分，或者在一些情況中係引導至水洗單元之兩個部分。較佳地，應將其引入頂部部分，以達到較佳的表現。
根據該氣體純化系統之一些實施例，經受氨捕集之水基液體包括少於0.2 mol/公升的氨(NH3 )。
根據上述氣體純化系統之一些實施例，水洗單元係在約1℃至約10℃之溫度下操作；較佳約5℃。該系統之操作溫度取決於該系統中所採用之特定冷凍劑。適宜冷凍劑可為丙烷、丙烯及氨。
根據該氣體純化系統之一些實施例，在分離並於CO2 產物冷卻器單元中液化後，將呈液體形式之二氧化碳CO2 再次引入至水洗液中。
根據該氣體純化系統之一些實施例，在分離並於CO2 產物冷卻器單元中液化形成CO2 冷卻器CO2 負載液體後，將呈液體形式之二氧化碳CO2 再次引入至洗滌水流中。
根據該氣體純化系統之一些實施例，在分離並於CO2 壓縮器系統中液化形成中間冷卻器富含CO2 冷凝物後，將呈液體形式之二氧化碳CO2 再次引入至洗滌水流中。
根據該氣體純化系統之一些實施例，在分離並於組併CO2 壓縮器系統之CO2 產物冷卻器單元中液化後，將呈液體形式之二氧化碳CO2 再次引入至水洗單元中。
如本文所用之術語「洗滌水」通常係指用於移除氣體流之污染物之水性介質，其係藉由使該氣體流與該洗滌水接觸，而導致污染物 從該氣體流吸收進入該洗滌水中。含有所吸收污染物之洗滌水通常在(例如)清理單元中進行回收，在該清理單元處該等污染物可經濃縮以供焚化或在淨化後再利用。換言之，水洗步驟的經濟情況係由達到所需微量污染物之移除水平需要的洗滌水之量所決定。適當洗滌氣體流所需之洗滌水之量係由水對各別微量污染物之吸收能力(亦即氣相及水相中污染物間之蒸氣/液體的平衡)所決定。
或者，可使用經改良吸收能力之洗滌水來進一步減少存在於離開水洗步驟之氣體流中之污染物的量，但不會增加洗滌水消耗量。換言之，排放量會減少，但不會相應增加因增加水及能源消耗而產生之成本。
使用液體CO2 改良洗滌水之吸收能力更為有利，因為，例如，i)CO2 無臭且相對無毒性，ii)洗滌水再生期間，可輕易移除洗滌水使用後所殘留之任何CO2 ，及iii)在本發明至少一些實施例中，CO2 為可輕易地從其他處理步驟中所得之產物。
鹼性化合物通常用於吸收方法中，以自氣體流中移除酸性氣體(諸如CO2 、H2 S及COS)。氨為此種鹼性化合物其中之一的實例，而冷氨法(CAP)係針對於此的方法。本發明氣體純化方法可利用冷氨法有效移除受氨污染之氣體流。藉由本發明，係提供一種用於經改良方法之氣體純化系統。
101‧‧‧氣體純化系統
102‧‧‧水洗單元
103‧‧‧底部部分
104‧‧‧頂部部分
105‧‧‧輸送管
106‧‧‧輸送管
107a‧‧‧輸送管
107b‧‧‧輸送管
108‧‧‧輸送管
110‧‧‧熱交換器
111‧‧‧輸送管
112‧‧‧輸送管
120‧‧‧CO2 產物冷卻器單元
121‧‧‧環形輸送管
121a‧‧‧熱交換器
122‧‧‧輸送管
123‧‧‧熱交換器
124‧‧‧熱交換器
124a‧‧‧熱交換器單元
124b‧‧‧熱交換器單元
125‧‧‧輸送管
126‧‧‧輸送管
127‧‧‧熱交換器
130‧‧‧清理塔單元
131‧‧‧流體連接輸送管
132‧‧‧流體連接輸送管
133‧‧‧輸送管
133a‧‧‧流體連接輸送管
134‧‧‧冷凝器
134a‧‧‧流體連接輸送管
134b‧‧‧流體連接輸送管
135‧‧‧流體連接輸送管
135a‧‧‧蒸氣-液體分離器
135b‧‧‧流體連接輸送管
136‧‧‧流體連接輸送管
137‧‧‧流體連接輸送管
138‧‧‧流體連接輸送管
138a‧‧‧流體連接輸送管
140‧‧‧CO2 吸收器
142‧‧‧再生器單元
142a‧‧‧流體連接輸送管
150‧‧‧CO2 壓縮器系統
151‧‧‧流體連接輸送管
152‧‧‧流體連接輸送管
153‧‧‧高壓CO2 壓縮器系統
154‧‧‧流體連接輸送管
155‧‧‧CO2 產物冷卻器單元
201‧‧‧氣體純化系統
202‧‧‧水洗單元
203‧‧‧底部部分
204‧‧‧頂部部分
205‧‧‧輸送管
208‧‧‧流體連接輸送管
210‧‧‧熱交換器單元
211‧‧‧輸送管
212‧‧‧輸送管
220‧‧‧CO2 產物冷卻器單元
圖1為概括性描繪根據本發明以氨為基礎之氣體純化系統之一實施例之流程圖。
圖2為概括性描繪已知以氨為基礎之氣體純化系統之流程圖(先前技術)。
下文係參考附圖詳細描述先前技術及本發明之氣體純化系統之 特定實施例。
圖1為根據本發明以氨為基礎之氣體純化系統101之一實施例之示意圖。該氣體純化系統101包括水洗單元102，該水洗單元102係經配置以便讓待純化氣體流與一或多種洗滌液間接觸。
按照一個實施例，該水洗單元102係經配置，以用於淨化已通過冷氨法之CO2 吸收器140之煙道氣體。在(例如)WO 2006/022885(Eli GAL)中同樣描述該冷氨法。因此，CO2 吸收器140係(例如)經配置，以便按照冷氨法捕集來自(例如)發電廠、工業廠房、廢棄物焚化廠或冶金廠之煙道氣體之CO2 。在該冷氨法中，CO2 被捕集在吸收器140之經氨化溶液中，而該經氨化溶液會在再生器單元142中再生。此種再生作用涉及加熱經氨化溶液以導致CO2 之釋放。出於保持圖示清晰之原因，圖1並未說明經氨化溶液在CO2 吸收器140與再生器單元142間之流動，或通過吸收器140之煙道氣體的流動。
已經通過用於捕集二氧化碳之CO2 吸收器140之煙道氣體中含有氨，且其係經由輸送管107a運往水洗單元102進行洗滌，下文將更詳細描述。
經由流體連接輸送管142a，將因為加熱再生器單元142中經氨化溶液之結果而釋放的CO2 產物從再生器單元142運送至CO2 產物冷卻器單元120。CO2 產物冷卻器單元120會藉由捕集氨及冷凝CO2 產物之水蒸氣純化來自再生器單元142之CO2 產物。經由流體連接環形輸送管121使含有水的液體在CO2 產物冷卻器單元120中進行循環。循環於環形輸送管121中的液體在熱交換器121a中進行冷卻，以引起CO2 產物之水蒸氣的凝結。循環於CO2 產物冷卻器單元120之環形輸送管121的液體會捕集氨及另外一些來自再生器單元142之CO2 產物之CO2 。因此，循環於環形輸送管121中之液體會包含一些經溶解的氨及一些經溶解的CO2 。
如下文更詳細描述者，氨含量經減少之再生洗滌水會經由輸送管111運送至CO2 產物冷卻器單元120，而循環於CO2 產物冷卻器單元120中之一部分液體會經由與環形輸送管121流體連接之輸送管122由單元120運出。
水洗單元102是一種質量轉移單元，其可包括質量轉移增強裝置，例如水洗單元102可包括具有其中選擇填充材料係為使單元102中之質量轉移達到最優化的填充床之管柱。該填充材料可選自許多不同適宜及市售的填充材料。同樣，該水洗單元102可經配置成包括一、二或更多階段的洗滌，其中在各階段中形成填充床之材料可相同或不同，而排組裝置(諸如，例如不規則或規整填料)可相同或不同，以便使以下參數達到最優化，諸如表面積、流動型態、質量流等。流通過單元102之液體在不同階段間亦可不同地排組配置，以便使系統及/或質量轉移達到最優化。例如，液體流動可呈逆流模式，其中液體係以與氣體相反方向流動，氣體垂直往上流動，而液體垂直往下流動，或者呈並流模式，其中液體及氣體同時垂直往下流動。此外，針對各個階段，液體可以循環模式進行排組配置，其中液體在移除出去前於該階段會再循環數次，或者一次穿過排組裝置，其中液體一次通過該階段，接著由此移除出去。
在圖1之特定實施例中，該水洗單元為包括具有負載不同填料之二階段洗滌系統之水洗單元102。底部部分103(即水洗單元102之下部)包括規整的填料，且係以逆流模式操作，及液體溶液係採用循環模式，而煙道氣體採用一次通過模型。頂部部分104(即水洗單元102之第二部分)包括不規則填料，且係以逆流模式操作，一次通過水流，及一次通過煙道氣流。待淨化的煙道氣體經由輸送管107a進入水洗單元102。經淨化的煙道氣體經由輸送管107b離開水洗單元102。
離開水洗單元102之用過的洗滌液包含經吸收的氨，並會經由流 體連接輸送管108離開水洗單元102。用過的洗滌液至少可部分再循環，並經由流體連接輸送管105再次引導至水洗單元102及其下部。
本發明一選項為，可經由流體連接輸送管125將部分CO2 引導至輸送管105中之洗滌液，並由此將含CO2 之洗滌液引導至水洗單元102(單元102之底部(第一)部分103)。如同樣將在下文中更詳細描述，連同將部分CO2 引導至輸送管105中之洗滌液或作為替代物，可經由流體連接輸送管122將部分CO2 引導至輸送管106中之洗滌液，並由此將含CO2 之洗滌液引導至水洗單元102(單元102之上部(第二)部分104)。
經由輸送管105及/或輸送管106引導至水洗單元102之液體表示為「富含CO2 之水洗液」，其為水洗液與部分CO2 混合後所得到之洗滌水。如圖1所示，該部分CO2 可以是在來自由再生器142運送之CO2 產物之CO2 產物冷卻器單元120之液體所捕集的CO2 。經由流體連接輸送管122，及視情況經由流體連接輸送管125，將此種其中經溶解有部分CO2 之液體自CO2 產物冷卻器單元120運送至水洗單元102。經由輸送管122，及視情況輸送管125運送至水洗單元102之經溶解CO2 藉由降低氨之蒸汽壓而導致改良水洗單元102中氨捕集之作用，如下文將更詳細描述。
煙道氣體中經由輸送管107a進入水洗單元102之氨含量係約5000-16000 ppm。
經降低氨含量之煙道氣體係經由流體連接輸送管107b離開水洗單元102，並(例如)運送至直接接觸冷卻器(DCC)單元，出於保持圖示清晰之原因而未顯示出來。煙道氣體中經由輸送管107b離開水洗單元102之氨的量約0-500 ppm，較佳低於200 ppm。
經由輸送管108離開水洗單元102之稱為「廢洗滌水」的部分水洗液可經由流體連接輸送管112進入至熱交換器110。在熱交換器110 中，經由輸送管108、112之來自水洗單元102的廢洗滌水與經由流體連接輸送管132之來自清理塔單元130之再生洗滌水流進行熱交換。因此，來自水洗單元102之廢洗滌水會經由輸送管112運送至熱交換器110，並經由流體連接輸送管131離開熱交換器110。流體連接輸送管131會將廢洗滌水運送至清理塔單元130。通常，經由流體連接輸送管131運送至清理塔單元130之廢洗滌水可包括濃度範圍為0.5-3 mol/公升之氨。如下文將更詳細描述，在清理塔單元130中，廢洗滌水中至少一部分氨含量會被移除，從而產生經由流體連接輸送管132離開清理塔單元130之再生洗滌水。通常，經由流體連接輸送管132離開清理塔單元130之再生洗滌水可包含濃度範圍為0.005-0.2 mol/公升之氨。
再生洗滌水係經由輸送管132運送至熱交換器110，其中該再生洗滌水會與以輸送管112、131運送之廢洗滌水進行熱交換。經由輸送管132運送之再生洗滌水具有高於經由輸送管112運送之廢洗滌水的溫度。因此，在熱交換器110中，該廢洗滌水會先經加熱，接著經由流體連接輸送管131運送至清理塔單元130。此舉所減少的熱量必須供應給清理塔單元130，以便完成從廢洗滌水移除氨。經由流體連接輸送管132從清理塔單元130運送之再生洗滌水在熱交換器110中經冷卻，接著經由流體連接輸送管138a運送至流體連接輸送管138，並進一步視情況經由熱交換器124運送至水洗單元102之上部部分104，及經由流體連接輸送管111運送至CO2 產物冷卻器單元120。
因此，再生洗滌水係經由流體連接輸送管138a、111自熱交換器110運送至CO2 產物冷卻器單元120。流至CO2 產物冷卻器單元120之水流流速通常為約5公升/分鐘至300公升/分鐘，例如約5公升/分鐘至200公升/分鐘。在CO2 產物冷卻器單元120中，藉由流體連接環形輸送管121將含CO2 之水再循環至CO2 冷卻器單元120中。自輸送管121，將一部分含CO2 之水分流，並經由流體連接輸送管122將水運送至水洗單 元102，流速為約5公升/分鐘至300公升/分鐘。在輸送管122中運送的液體亦可表示為「CO2 負載液體」，即包含經溶解的CO2 並係自CO2 冷卻器單元120運送之液體。
在一個實施例中，輸送管122係經由流體連接輸送管125與底部部分103之再循環環形輸送管108連接，其中來自CO2 產物冷卻器單元120之含CO2 的水與經由輸送管105再次引入之水混合，在通過熱交換器123後進入水洗單元102之底部、第一部分103。
在本發明之一個實施例中，輸送管122係與輸送管138流體連接，其中含CO2 之水與自熱交換器110運送之再生洗滌水混合，並進一步經由輸送管106運送至水洗單元102及其頂部部分104。
來自CO2 產物冷卻器單元120之經冷卻的CO2 產物經由輸送管126及視情況之熱交換器127運送至CO2 壓縮器系統150，該CO2 壓縮器系統150產生經壓縮的富含CO2 氣體，其經由流體連接輸送管151運送以用於進行進一步處理。在CO2 壓縮器系統150中因壓縮階段間之中間冷卻作用而得到之包含水及CO2 之冷凝物可經由流體連接輸送管152再循環至氣體純化系統101。本文將該液體表示為「CO2 壓縮器中間冷卻器富含CO2 冷凝物」。輸送管152係流體連接至輸送管122，而「CO2 壓縮器中間冷卻器富含CO2 冷凝物」係如上所述運送至水洗單元102。
視情況地，在氣體純化系統101中，在CO2 產物冷卻器單元155中分離及液化後，呈液體形式之二氧化碳CO2 經由流體連接輸送管154及152再次引入至水洗單元102中，CO2 產物冷卻器單元155可為一種用於自不凝結氣體(諸如氧氣及氮氣)分離出二氧化碳之低溫單元，此種單元155係包括於高壓CO2 壓縮器系統153中。
在一個實施例中，含CO2 液體係藉由組併經由輸送管121運送至輸送管122之CO2 冷卻器負載洗滌水溶液與經由輸送管152運送之CO2 壓縮器中間冷卻器富含CO2 冷凝物所產生的。
視情況地，含CO2 之水穿過熱交換器單元124a、124b，接著在約3至約7℃之溫度下進入水洗單元102。
熱交換器單元110係經由流體連接輸送管131及132與清理塔單元130流體連接，其中熱量係自清理塔底部流轉移至原料流，以最小化清理塔單元130之能量消耗，及將低溫液體提供至水洗單元102，以降低冰水主機負載(chiller load)。例如，清理塔單元130可在超過120℃之溫度及超過20巴之壓力下操作。清理塔單元130係藉由經由流體連接輸送管136及137之蒸汽進行加熱。在清理塔單元130中，氨係自經由輸送管131來自之水洗單元102廢洗滌水移除，並經由流體連接輸送管135將氨轉移至CO2 吸收器140以進行進一步處理，諸如捕集CO2 。含氨及經由輸送管133離開清理塔單元130之氣體會通過冷凝器134，根據清理塔的操作壓力到達再生器或吸收器系統的途徑。冷卻液體係經由流體連接輸送管134a運送至冷凝器134，並經由流體連接輸送管134b離開冷凝器134。經由輸送管134a、134b運送至冷凝器134之冷卻液體可具有各種來源。例如，冷卻液體可為自吸收器140運送至再生器單元142並於其中進行再生之經氨化溶液。同樣，冷凝器134之冷卻液體可為(例如)用於鍋爐之給水，或可在工廠中得到之另一種冷卻水。在冷凝器134中因經由輸送管133離開清理塔單元130之氣體之冷卻作用而形成之蒸汽及液體係經由流體連接輸送管133a離開冷凝器134，並運送至蒸氣-液體分離器135a。在蒸氣-液體分離器135a中，氣體與液體係彼此分離的。在蒸氣-液體分離器135a底部所收集之液體會經由流體連接輸送管135b返回至清理塔單元130。在低壓清理塔操作下，接著經由輸送管135將頂部蒸汽流轉移至吸收器140。
上文所詳細描述之系統係在20巴之壓力下操作。然而，顯而易見的，在有效參數經調整以達到預期NH3 捕集效果之裝置中，該等系統亦適用於在低壓下操作。
經由輸送管107a進入水洗單元102之氣體通常包含濃度為1.5-2.5%體積比之CO2 。
水洗單元102通常係在相對高氣體速率下操作，諸如於2-8 m/s之範圍內，例如約2.5 m/s。
藉由經由含CO2 液體將部分CO2 引入至水洗單元102，可降低氨莫耳量比上CO2 莫耳量間之莫耳比例。降低氨莫耳量比上CO2 莫耳量間之莫耳比例可抑制存在於水洗單元102中所用富含CO2 之水洗液表面上之NH3 的平衡蒸氣壓。在水洗單元102之頂部部分104中，經由輸送管106運送之富含CO2 之水洗液之氨濃度通常為0.005至0.2 mol/公升NH3 。通常可將經由輸送管106運送之富含CO2 之水洗液中氨(NH3 )莫耳量比上二氧化碳(CO2 )莫耳量之比例保持在約0.05至10，及更通常在約0.05至2。在水洗單元102之底部部分103中，經由輸送管105運送之富含CO2 之水洗液之氨濃度可為0.5至3 mol/公升NH3 。通常可將經由輸送管105運送之富含CO2 之水洗液中氨(NH3 )之莫耳量比上二氧化碳(CO2 )之莫耳量的比例保持在約0.05至10，及更通常在約0.5至10。
CO2 產物冷卻器單元120亦連接至再生器單元142，再生器單元142係經配置以便使已經在吸收器140中用於自(例如)按照冷氨方法之煙道氣體吸收CO2 之吸收液體再生。因此，CO2 產物冷卻器單元120會使自再生器單元142之經氨化溶液所釋放之CO2 冷卻。
圖2為先前所採用的氣體純化系統201(先前技術)之示意圖。該系統包括經配置以便讓待純化氣體流與一或多種洗滌液間接觸之水洗單元202。
水洗單元202顯示於圖2中，且其包括具有負載不同填料之二階段洗滌系統。位於水洗單元202下部之底部部分203包括規整填充床，且溶液係以循環模式操作，而煙道氣體係以一次通過模式操作。位於水洗單元202頂部之頂部部分204包括不規則填充床，其係以一次通過 水流及一次通過煙道氣流的逆流模式操作。
離開水洗單元202且包含吸收氨之用過的水洗液係經由流體連接輸送管208離開水洗單元。用過的水洗液可經回收，並經由輸送管205再次引導至水洗單元202及其下部。
經減少氨濃度之煙道氣體係經由輸送管207離開水洗單元202，並可運送至直接接觸冷卻器(DCC)單元，出於保持插圖清晰之原因而未顯示。
洗滌水係經由輸送管212進入至熱交換器單元210。經由輸送管211將水自熱交換器單元210運送至CO2 產物冷卻器單元220。
上文關於圖1所述之實施例之優勢包括：從水洗單元102所排放之經處理煙道氣體中的NH3 濃度低；處理後，(諸如)直接接觸冷卻系統(DCC)及直接接觸加熱(DCH)系統中酸化組分(如硫酸)之消耗量低；用於吸收及再生之系統中所需溶液莫耳濃度具有可維持性；清理塔過程之能量消耗較低；水洗單元102為捕集氨所需液體之量可達最小化。
實例 實例1(電腦模型驗證)
將按照上述先前技術系統(圖2)之具有模擬水洗單元(A)之電腦模型與類似先前技術系統之測試結果(B)相比較。
與測試結果相比，模擬結果顯示氨排放降低2.3%，如表1所示。因此，該電腦模型被視為物理過程及系統之合理表現。
實例2(添加含CO2 液體之效果)
在模擬水洗單元102(圖1)中，經由輸送管105自CO2 產物冷卻器120引入含CO2 液體，因此將含CO2 液體引至水洗單元102之底部部分103，並與經由輸送管106自CO2 產物冷卻器120將含CO2 液體因此引至水洗單元102之頂部部分104作比較。表2顯示將含CO2 液體引入水洗單元102之效果。含CO2 液體具有0.54之氨含量(莫耳/公升)，莫耳比例R為1.05(莫耳NH3 /莫耳CO2 )，而在輸送管107b之約40800公斤/小時之煙道氣流下測得含CO2 液體之流速為約59公升/分鐘。
表2所示結果顯示，與經由輸送管105將含CO2 液體引至底部階段 103相比，經由輸送管106將含CO2 液體供應至水洗單元102之頂部階段104會使氨之排放減少約42%。
當與表1之先前技術結果作比較時，明顯地經由輸送管105引入含CO2 液體會導致氨排放減少約6%(NH3 由312減少至294 ppm)，而經由輸送管106引入含CO2 液體會導致氨排放減少約45%(NH3 由312減少至171 ppm)。
實例3(高入口氨濃度)
為測試運送至水洗單元之煙道氣體在高氨濃度下之氨排放進行模擬，在該實例中，入口氨為16000 ppm。
比較實例：表3顯示圖2之先前技術水洗單元202之模擬結果。
模擬氣體中之高氨濃度及經由輸送管105或經由輸送管106引入含CO2 液體：將氣體流速保持在與比較實例相同的水平。在第一次模擬中，經由輸送管105將來自CO2 產物冷卻器單元120之含CO2 液體添加至水洗單元102之底部部分103。在第二次模擬中，經由輸送管106將來自CO2 產物冷卻器單元120之含CO2 液體添加至水洗單元102之頂部部分104。在每次模擬中，含CO2 液體係以227公升/分鐘之流速添加，而輸送管107b中煙道氣流之流速為約40800公斤/小時，氨濃度係保持在1莫耳/公升，而莫耳比(莫耳NH3 /莫耳CO2 )為1.05。
表4顯示所得結果：表4. 水洗系統102之氨捕集，經由輸送管105或經由輸送管106引入CO2 。
如上文所指出的，利用經由輸送管105向底部部分103供應CO2 之水洗單元102，氨之排放自約2300 ppm(表3)(由先前技術水洗系統202所得到)減少至約710 ppm(表4)，而藉由經由輸送管106將含CO2 液體引導至洗滌水單元102之頂部部分104，氨之排放減少至約160 ppm(表4)。
總而言之，本發明係提供一種利用冷氨法中所包含之水洗單元(102)捕集存在於經受二氧化碳移除處理之燃燒煙道氣體中之氨之方法，該方法包括：-提供CO2 負載液體(122)，其包含溶解於液體中之CO2 ；-提供水洗液(108,138)；-組併該CO2 負載液體與該水洗液，以形成富含CO2 之水洗液(105,106)，接著將該液體添加至該水洗單元(102)；及-藉由將該富含CO2 之水洗液添加至該水洗單元(102)使該燃燒煙道氣體與該富含CO2 之水洗液接觸。
雖然本發明已參考各種示範實施例作出說明，但熟習此項技術者將瞭解，在不脫離本發明範圍下可作出各種改變，且可以等效項取代其元件。此外，根據本發明之教義，不脫離其基本範圍下，可作出許多修飾以適應特定情況或材料。因此，希望本發明不受作為實施本發明所涵蓋之最佳模式而揭示之特定實施例之限制，且本發明將包括所有落入隨附申請專利範圍之範圍內之實施例。
101‧‧‧氣體純化系統
102‧‧‧水洗單元
103‧‧‧底部部分
104‧‧‧頂部部分
105‧‧‧輸送管
106‧‧‧輸送管
107a‧‧‧輸送管
107b‧‧‧輸送管
108‧‧‧輸送管
110‧‧‧熱交換器
111‧‧‧輸送管
112‧‧‧輸送管
120‧‧‧CO2 產物冷卻器單元
121‧‧‧環形輸送管
121a‧‧‧熱交換器
122‧‧‧輸送管
123‧‧‧熱交換器
124‧‧‧熱交換器
124a‧‧‧熱交換器單元
124b‧‧‧熱交換器單元
125‧‧‧輸送管
126‧‧‧輸送管
127‧‧‧熱交換器
130‧‧‧清理塔單元
131‧‧‧流體連接輸送管
132‧‧‧流體連接輸送管
133‧‧‧輸送管
133a‧‧‧流體連接輸送管
134‧‧‧冷凝器
134a‧‧‧流體連接輸送管
134b‧‧‧流體連接輸送管
135‧‧‧流體連接輸送管
135a‧‧‧蒸氣-液體分離器
135b‧‧‧流體連接輸送管
136‧‧‧流體連接輸送管
137‧‧‧流體連接輸送管
138‧‧‧流體連接輸送管
138a‧‧‧流體連接輸送管
140‧‧‧CO2 吸收器
142‧‧‧再生器單元
142a‧‧‧流體連接輸送管
150‧‧‧CO2 壓縮器系統
151‧‧‧流體連接輸送管
152‧‧‧流體連接輸送管
153‧‧‧高壓CO2 壓縮器系統
154‧‧‧流體連接輸送管
155‧‧‧CO2 產物冷卻器單元

Claims (17)

  1. 一種利用冷氨法中所包含之包括至少第一及第二階段之水洗單元捕集存於經受二氧化碳移除處理之燃燒煙道氣體中之氨之方法，該方法包括以下步驟：提供CO2 負載液體，其包含經溶解於液體中之CO2 ；提供水洗液；組併該CO2 負載液體與該水洗液，以形成富含CO2 之水洗液，接著將該液體添加至該水洗單元，以抑制存於該富含CO2 之水洗液表面上之NH3 的平衡蒸氣壓；在各個第一及第二階段中，藉由將該富含CO2 之水洗液添加至該水洗單元來使該燃燒煙道氣體與該富含CO2 之水洗液接觸；及形成經淨化的煙道氣體及用過的洗滌液。
  2. 如請求項1之方法，其中添加至該第一階段之該富含CO2 之水洗液中之氨濃度為0.5至3mol/公升。
  3. 如請求項1之方法，其中該水洗液在與該CO2 負載液體組併之前包含0.0005mol/公升至0.2mol/公升的氨(NH3 )。
  4. 如請求項1之方法，其中藉由使該洗滌水單元具有1℃至10℃之操作溫度來增加NH3 之平衡蒸氣壓之抑制作用。
  5. 如請求項1之方法，其中該富含CO2 之水洗液之氨(NH3 )莫耳量比上二氧化碳(CO2 )莫耳量之比例係保持在約0.05至10。
  6. 一種藉由與呈液體形式之含有經溶解二氧化碳CO2 之富含CO2 之水洗液接觸而從燃燒煙道氣體中捕集氨(NH3 )之氣體純化系統，其中該系統包括：用於捕集氨NH3 之水洗單元，其包括至少第一及第二階段；一或多條用於再循環水洗液之水洗液輸送管； 一或多個產生CO2 負載液體之單元；CO2 負載液體輸送管，其用於使該CO2 負載液體自該一或多個產生CO2 負載液體之單元流過該水洗液輸送管，以抑制水洗液上之NH3 之平衡蒸氣壓；及一或多條富含CO2 之水洗液之輸送管，其用於使整合該CO2 負載液體與該水洗液之富含CO2 之水洗液流至該水洗單元，以使該富含CO2 之水洗液與該燃燒煙道氣體接觸。
  7. 如請求項6之氣體純化系統，其中該等產生CO2 負載液體之單元係為獨立或共同運作以產生CO2 負載液體之CO2 產物冷卻器及/或CO2 壓縮器系統。
  8. 如請求項6之氣體純化系統，其中該洗滌水單元之第一及第二階段包括填充材料。
  9. 如請求項6之氣體純化系統，其中該富含CO2 之水洗液係經由富含CO2 之水洗液之輸送管引導至該洗滌水單元之第一階段。
  10. 如請求項6之氣體純化系統，其中該富含CO2 之水洗液係藉由富含CO2 之水洗液之輸送管引導至該洗滌水單元之第二階段。
  11. 如請求項6之氣體純化系統，其中該洗滌水單元係在1℃至10℃之溫度下操作。
  12. 如請求項6之氣體純化系統，其中在分離並於CO2 產物冷卻器單元中液化形成CO2 冷卻器CO2 負載洗滌水溶液後，使呈液體形式之該二氧化碳CO2 再引入至該洗滌水流中。
  13. 如請求項6之氣體純化系統，其中在分離並於CO2 壓縮器系統中液化形成中間冷卻器水富含CO2 冷凝物後，使呈液體形式之二氧化碳CO2 再引入至該洗滌水流中。
  14. 如請求項6之氣體純化系統，其中在分離並於組併CO2 壓縮器系統之CO2 產物冷卻器單元中液化後，使呈液體形式之二氧化碳 CO2 再引入至該水洗單元中。
  15. 如請求項1之方法，其進一步包括將至少一部分用過的洗滌水運送至清理塔單元，其中至少一部分之氨被移除並形成再生洗滌水。
  16. 如請求項15之方法，其中該再生洗滌水被運送至該水洗單元。
  17. 如請求項15之方法，其中該氨自清理塔單元被移除且運送至CO2 吸收器單元。
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