TWI552795B - Method and system for capturing carbon dioxide using ammonia - Google Patents

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Description

利用氨水捕獲二氧化碳之方法及系統
本發明係關於利用氨水捕獲二氧化碳之方法及系統。
氨水為鹼性水溶液，工業上也常被用來化學吸收去除氣體中酸性成分，如CO2、H2S、HCN、SOx等。氨水有許多優點，但最大缺點源自「氨高揮發性」。近年來，降低溫室氣體二氧化碳(CO2)為全球性議題，碳捕獲並封存(CCS)為重要手段。化學吸收技術是最成熟且最有潛力工業化之碳捕獲技術，化學吸收劑主要分醇胺類(amines)與氨水(ammonia-based)等兩類。
本發明提供利用氨水捕獲二氧化碳之方法。在一實施例中，利用氨水捕獲二氧化碳之方法包括以下步驟：(a)輸入濃氨水到至少一前段吸收塔，且含二氧化碳之氣體由該至少一前段吸收塔之底部輸入；(b)導出該至少一前段吸收塔之底部之富洗滌液，並輸入到至少一後段吸收塔；及(c)導出該至少一後段吸收塔之洗滌液，及輸出經處理之氣體。
本發明提供利用氨水捕獲二氧化碳之系統。在一實施例中，利用氨水捕獲二氧化碳之系統包括至少一前段吸收塔及至少一後段吸收塔。該至少一前段吸收塔包括一第一輸入口、一第二輸入口、一第一輸出口及一第二輸出口，其中該第一輸入口輸入濃氨水，該第二輸入口輸入含二氧化碳之氣體，該第一輸出口輸出富洗滌液，該第二輸出 口輸出經該至少一前段吸收塔處理之氣體。該至少一後段吸收塔包括一第一輸入口、一第二輸入口、一第一輸出口及一第二輸出口，其中該第一輸入口連通該至少一前段吸收塔之該第一輸出口，以輸入富洗滌液，該第二輸入口連通該至少一前段吸收塔之該第二輸出口，以輸入、經該至少一前段吸收塔處理之氣體，該第一輸出口輸出洗滌液，該第二輸出口輸出經該至少一後段吸收塔處理之氣體。
本發明利用氨水捕獲二氧化碳之方法及系統能使氨流失率之相對減少率提高，且提高整體吸收塔之二氧化碳去除率，因而降低整體單位二氧化碳捕獲之能耗；在實施例中，氨流失率之相對減少率提高至50%以上，且提高整體吸收塔之二氧化碳去除率10%以上。
10‧‧‧利用氨水捕獲二氧化碳之系統
11‧‧‧前段吸收塔
12‧‧‧第一後段吸收塔
13‧‧‧第二後段吸收塔
14‧‧‧第一冷卻器
15‧‧‧第二冷卻器
20‧‧‧利用氨水捕獲二氧化碳之系統
21‧‧‧第一前段吸收塔
22‧‧‧第二前段吸收塔
23‧‧‧後段吸收塔
24‧‧‧冷卻器
31‧‧‧填充物或塔板
111‧‧‧第一輸入口
112‧‧‧第二輸入口
113‧‧‧第一輸出口
114‧‧‧第二輸出口
121‧‧‧第一輸入口
122‧‧‧第二輸入口
123‧‧‧第一輸出口
124‧‧‧第二輸出口
131‧‧‧第一輸入口
132‧‧‧第二輸入口
133‧‧‧第一輸出口
134‧‧‧第二輸出口
211‧‧‧第一輸入口
212‧‧‧第二輸入口
213‧‧‧第一輸出口
214‧‧‧第二輸出口
221‧‧‧第一輸入口
222‧‧‧第二輸入口
223‧‧‧第一輸出口
224‧‧‧第二輸出口
231‧‧‧第一輸入口
232‧‧‧第二輸入口
233‧‧‧第一輸出口
234‧‧‧第二輸出口
圖1顯示本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統之第一實施例之示意圖；圖2顯示本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統之第二實施例之示意圖；圖3顯示習知方法與本發明之方法之氨流失率之試驗結果示意圖；及圖4顯示習知方法與本發明之方法之二氧化碳去除率與進料氨水濃度之實驗結果示意圖。
參考圖1，其顯示本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統之第一實施例之示意圖。本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統10包括：至少一前段吸收塔11及至少一後段吸收塔12、13。在本實施例中，本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統10包括：一前段吸收塔11、一第一後段吸收塔12及一第二後段吸收塔13。
該前段吸收塔11包括一第一輸入口111、一第二輸入口112、一第 一輸出口113及一第二輸出口114。該第一輸入口111輸入濃氨水，濃氨水之總氨濃度為1-28wt%，較佳地，濃氨水之總氨濃度為10-28wt%。濃氨水為含氨之水溶液，除具有NH3與H2O外，也可含其他CO2/H2S/SOx/HCN等不同成分。該第二輸入口112輸入含二氧化碳之氣體，例如為鋼鐵廠熱風爐之煙道氣。該第一輸出口113輸出富洗滌液，富洗滌液係指已化學吸收二氧化碳之液體，吸收程度可以氨捕碳使用率(溶液中CO2/NH3 mole ratio)為定量指標，富洗滌液捕獲CO2愈多則其氨捕碳使用率值將愈高。該第二輸出口114輸出經該前段吸收塔11處理之氣體。
該前段吸收塔11之該第一輸入口111及該第二輸出口114設置於該前段吸收塔11之頂部，該前段吸收塔11之該第二輸入口112及該第一輸出口113設置於該前段吸收塔11之底部。
每一後段吸收塔包括一第一輸入口、一第二輸入口、一第一輸出口及一第二輸出口。該第一後段吸收塔12之該第一輸入口121連通該前段吸收塔11之該第一輸出口113，以輸入富洗滌液。。該第一後段吸收塔12之該第二輸入口122連通該前段吸收塔11之該第二輸出口114，以輸入經該前段吸收塔11處理之氣體。該第一後段吸收塔12之該第一輸出口123輸出洗滌液，該洗滌液之氨捕碳使用率值將較上述富洗滌液更高。該第一後段吸收塔12之該第二輸出口124輸出經該第一後段吸收塔12處理之氣體。在本實施例中，富洗滌液係以噴灑方式注入並再此段吸收塔中洗滌由第二輸入口122輸入之氣體，以進一步捕獲二氧化碳，並提高氨利用率。
該第二後段吸收塔13之該第一輸入口131連通該第一後段吸收塔12之該第一輸出口123，以輸入洗滌液。該第二後段吸收塔13之該第二輸入口132連通該第一後段吸收塔12之該第二輸出口124，以輸入經該第一後段吸收塔12處理之氣體。該第二後段吸收塔13之該第一輸出 口133輸出洗滌液，洗滌液可導出進行再生處理。該第二後段吸收塔13之該第二輸出口134輸出經該第二後段吸收塔13處理之氣體。在本實施例中，洗滌液係以噴灑方式注入並再此段吸收塔中洗滌由第二輸入口132輸入之氣體，以進一步捕獲二氧化碳，並提高氨利用率。
該第一後段吸收塔12及該第二後段吸收塔13之該第一輸入口121、131及該第二輸出口124、134分別設置於該第一後段吸收塔12及該第二後段吸收塔13之頂部，該第一後段吸收塔12及該第二後段吸收塔13之該第二輸入口122、132及該第一輸出口123、133分別設置於該第一後段吸收塔12及該第二後段吸收塔13之底部。
在本實施例中，該第一後段吸收塔12設置於該前段吸收塔11上，且該第二後段吸收塔13設置於該第一後段吸收塔12上；或者，該前段吸收塔11、該第一後段吸收塔12及該第二後段吸收塔13形成一整體吸收塔，該前段吸收塔11為第一層吸收塔，該第一後段吸收塔12為第二層吸收塔及該第二後段吸收塔13為第三層吸收塔。在其他實施例中，該前段吸收塔、該第一後段吸收塔及該第二後段吸收塔可分別設置，並以管路連接。
在本實施例中，該前段吸收塔11、該第一後段吸收塔12及該第二後段吸收塔13之操作溫度為0℃-80℃。另外，該前段吸收塔11、該第一後段吸收塔12或該第二後段吸收塔13內另包括一填充物(packing)或塔板(tray)31，該填充物或塔板31可為化工領域常用之填充物或塔板。
本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統10另包括一第一冷卻器14及一第二冷卻器15。該第一冷卻器14設置於該前段吸收塔11之該第一輸出口113及該第一後段吸收塔12之該第一輸入口121之間，以冷卻該富洗滌液。該第二冷卻器15設置於該第一後段吸收塔12之該第一輸出口123及該第二後段吸收塔13之該第一輸入口131之間，以冷卻該洗滌 液。
參考圖3，其顯示習知方法(未以富洗滌液進行洗滌之方法)與本發明之方法之氨流失率之試驗結果示意圖。並以兩種氨水濃度3wt%及7wt%進行試驗。試驗結果顯示，本發明之系統及方法可大幅降低氨流失率，且相對於習知方法，利用本發明之系統及方法的氨流失率之相對減少率高於50%。
參考圖4，其顯示習知方法(未以富洗滌液進行洗滌之方法)與本發明之方法之二氧化碳去除率與進料氨水濃度實驗結果示意圖。相較於習知方法，利用本發明之系統及方法之二氧化碳去除率可提高10%。
參考圖2，其顯示本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統之第二實施例之示意圖。本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統20包括：至少一前段吸收塔21、22及至少一後段吸收塔23。在本實施例中，本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統20包括：一第一前段吸收塔21、一第二前段吸收塔22及一後段吸收塔23。
該第一前段吸收塔21之該第一輸入口211及該第二前段吸收塔22之該第一輸入口221輸入濃氨水。該第一前段吸收塔21之該第二輸入口212輸入含二氧化碳之氣體。該第一前段吸收塔21之該第一輸出口213輸出富洗滌液。該第一前段吸收塔21之該第二輸出口214輸出經該第一前段吸收塔21處理之氣體。
該第二前段吸收塔22之該第二輸入口222連通該第一前段吸收塔21之該第二輸出口214，以輸入經該第一前段吸收塔21處理之氣體。該第二前段吸收塔22之該第一輸出口223輸出富洗滌液。該第二前段吸收塔22之該第二輸出口224輸出經該第二前段吸收塔22處理之氣體。
該後段吸收塔23包括一第一輸入口231、一第二輸入口232、一 第一輸出口233及一第二輸出口234。該第一輸入口231連通該第二前段吸收塔22之該第一輸出口223，以輸入富洗滌液。該第二輸入口232連通該第二前段吸收塔22之該第二輸出口224，以輸入經該第二前段吸收塔22處理之氣體。該第一輸出口233輸出洗滌液，該第二輸出口234輸出經該後段吸收塔23處理之氣體。在本實施例中，富洗滌液係以、噴灑方式注入並再此段吸收塔中洗滌由第二輸入口232輸入之氣體，以進一步捕獲二氧化碳，並提高氨利用率。
本發明利用氨水捕獲二氧化碳之系統20另包括一冷卻器24，該冷卻器24設置於該第一前段吸收塔21之該第一輸出口213及該第二前段吸收塔22之該第一輸出口223與該後段吸收塔23之該第一輸入口231之間，以冷卻來自該第一前段吸收塔21之該第一輸出口213及該第二前段吸收塔22之該第一輸出口223之該富洗滌液。另外，該第一前段吸收塔21、該第二前段吸收塔22或該後段吸收塔23內另包括一填充物或塔板31，該填充物或塔板31可為化工領域常用之填充物或塔板。
本發明利用氨水捕獲二氧化碳之方法及系統能使氨流失率之相對減少率提高，且提高整體吸收塔之二氧化碳去除率，因而降低整體單位二氧化碳捕獲之能耗；在實施例中，氨流失率之相對減少率提高至50%以上，且提高整體吸收塔之二氧化碳去除率10%以上。
惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非用以限制本發明。因此，習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧利用氨水捕獲二氧化碳之系統
11‧‧‧前段吸收塔
12‧‧‧第一後段吸收塔
13‧‧‧第二後段吸收塔
14‧‧‧第一冷卻器
15‧‧‧第二冷卻器
31‧‧‧填充物或塔板
111‧‧‧第一輸入口
112‧‧‧第二輸入口
113‧‧‧第一輸出口
114‧‧‧第二輸出口
121‧‧‧第一輸入口
122‧‧‧第二輸入口
123‧‧‧第一輸出口
124‧‧‧第二輸出口
131‧‧‧第一輸入口
132‧‧‧第二輸入口
133‧‧‧第一輸出口
134‧‧‧第二輸出口

Claims (17)

  1. 一種利用氨水捕獲二氧化碳之方法，包括以下步驟：(a)輸入濃氨水到一第一前段吸收塔及一第二前段吸收塔，且含二氧化碳之氣體由該第一前段吸收塔及第二前段吸收塔至少其中之一之底部輸入；(b)導出該第一前段吸收塔及第二前段吸收塔至少其中之一之底部之富洗滌液，並輸入到至少一後段吸收塔；及(c)導出該至少一後段吸收塔之洗滌液，及輸出經處理之氣體。
  2. 如請求項1之方法，其中在步驟(b)中，導出該第一前段吸收塔及該第二前段吸收塔之底部之富洗滌液，並輸入到至少一後段吸收塔。
  3. 如請求項2之方法，其中在步驟(b)中，另包括冷卻富洗滌液，再輸入到至少一後段吸收塔。
  4. 如請求項1之方法，其中濃氨水之總氨濃度為1-28wt%。
  5. 如請求項1之方法，其中該第一前段吸收塔、該第二前段吸收塔及該至少一後段吸收塔之操作溫度為0℃-80℃。
  6. 一種利用氨水捕獲二氧化碳之方法，包括以下步驟：(a)輸入濃氨水到至少一前段吸收塔，且含二氧化碳之氣體由該至少一前段吸收塔之底部輸入；(b)導出該至少一前段吸收塔之底部之富洗滌液，並輸入到至少一後段吸收塔；及(c)導出該至少一後段吸收塔之洗滌液，及輸出經處理之氣 體；其中在步驟(b)中，導出該前段吸收塔之底部之富洗滌液，並輸入到一第一後段吸收塔，且導出該第一後段吸收塔之底部之洗滌液，並輸入到一第二後段吸收塔。
  7. 如請求項6之方法，其中在步驟(b)中，另包括冷卻該前段吸收塔之底部之富洗滌液，再輸入到該第一後段吸收塔，且冷卻該第一後段吸收塔之底部之洗滌液，再輸入到該第二後段吸收塔。
  8. 如請求項6之方法，其中在步驟(c)中，導出該第二後段吸收塔之洗滌液。
  9. 如請求項6之方法，其中濃氨水之總氨濃度為1-28wt%。
  10. 如請求項6之方法，其中該至少一前段吸收塔及該至少一後段吸收塔之操作溫度為0℃-80℃。
  11. 一種利用氨水捕獲二氧化碳之系統，包括：至少一前段吸收塔，包括一第一輸入口、一第二輸入口、一第一輸出口及一第二輸出口，其中該第一輸入口輸入濃氨水，該第二輸入口輸入含二氧化碳之氣體，該第一輸出口輸出富洗滌液，該第二輸出口輸出經該至少一前段吸收塔處理之氣體；及至少一後段吸收塔，包括一第一輸入口、一第二輸入口、一第一輸出口及一第二輸出口，其中該第一輸入口連通該至少一前段吸收塔之該第一輸出口，以輸入富洗滌液，該第二輸入口連通該至少一前段吸收塔之該第二輸出口，以輸入經該至少一前段吸收塔處理之氣體，該第一輸出口輸出洗滌液，該第二輸 出口輸出經該至少一後段吸收塔處理之氣體。
  12. 如請求項11之系統，其中該至少一前段吸收塔之該第一輸入口及該第二輸出口設置於該至少一前段吸收塔之頂部，該至少一前段吸收塔之該第二輸入口及該第一輸出口設置於該至少一前段吸收塔之底部；該至少一後段吸收塔之該第一輸入口及該第二輸出口設置於該至少一後段吸收塔之頂部，該至少一後段吸收塔之該第二輸入口及該第一輸出口設置於該至少一後段吸收塔之底部。
  13. 如請求項11之系統，其中該至少一後段吸收塔包括一第一後段吸收塔及一第二後段吸收塔，該第一後段吸收塔之該第一輸入口連通該至少一前段吸收塔之該第一輸出口，以輸入富洗滌液，該第一後段吸收塔之該第二輸入口連通該至少一前段吸收塔之該第二輸出口，以輸入經該至少一前段吸收塔處理之氣體，該第一後段吸收塔之該第一輸出口輸出洗滌液，該第一後段吸收塔之該第二輸出口輸出經該第一後段吸收塔處理之氣體；該第二後段吸收塔之該第一輸入口連通該第一後段吸收塔之該第一輸出口，以輸入洗滌液，該第二後段吸收塔之該第二輸入口連通該第一後段吸收塔之該第二輸出口，以輸入經該第一後段吸收塔處理之氣體，該第二後段吸收塔之該第一輸出口輸出洗滌液，該第二後段吸收塔之該第二輸出口輸出經該第二後段吸收塔處理之氣體。
  14. 如請求項13之系統，另包括一第一冷卻器及一第二冷卻器，該第一冷卻器設置於該至少一前段吸收塔之該第一輸出口及該第一後段吸收塔之該第一輸入口之間，以冷卻該富洗滌液；該第二冷卻器設置於該 第一後段吸收塔之該第一輸出口及該第二後段吸收塔之該第一輸入口之間，以冷卻該洗滌液。
  15. 如請求項11之系統，其中該至少一前段吸收塔包括一第一前段吸收塔及一第二前段吸收塔，該第一前段吸收塔之該第一輸入口及該第二前段吸收塔之該第一輸入口輸入濃氨水，該第一前段吸收塔之該第二輸入口輸入含二氧化碳之氣體，該第一前段吸收塔之該第一輸出口輸出富洗滌液，該第一前段吸收塔之該第二輸出口輸出經該第一前段吸收塔處理之氣體；該第二前段吸收塔之該第二輸入口連通該第一前段吸收塔之該第二輸出口，以輸入經該第一前段吸收塔處理之氣體，該第二前段吸收塔之該第一輸出口輸出富洗滌液，該第二前段吸收塔之該第二輸出口輸出經該第二前段吸收塔處理之氣體。
  16. 如請求項15之系統，另包括一冷卻器，該冷卻器設置於該第一前段吸收塔之該第一輸出口及該第二前段吸收塔之該第一輸出口與該至少一後段吸收塔之該第一輸入口之間，以冷卻該富洗滌液。
  17. 如請求項11之系統，其中該至少一前段吸收塔或該至少一後段吸收塔內另包括一填充物或塔板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103097002A (zh) * 2010-09-09 2013-05-08 埃克森美孚研究工程公司 在升高的温度下用于改善吸收的混合胺和非亲核性碱co2的洗涤方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103097002A (zh) * 2010-09-09 2013-05-08 埃克森美孚研究工程公司 在升高的温度下用于改善吸收的混合胺和非亲核性碱co2的洗涤方法

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