低排放动力产生系统和合并二氧化碳分离的方法
【专利摘要】提供了用于低排放动力工厂中的CO2分离的方法和系统。一个系统包括燃气涡轮系统，其在压缩的再循环流的存在下燃烧燃料和氧化剂，以提供机械动力和气态废气。净化流从压缩的再循环流取得，并被引导至CO2分离器，该分离器配置为使用碳酸钾溶剂从净化流吸收CO2。通过汽提或通过在再生富溶剂和去除CO2之前闪蒸至中等压力从富溶剂去除挥发物。
【专利说明】低排放动力产生系统和合并二氧化碳分离的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年9月3 0日提交的题目为“LOW EMISSION POWER GENERATIONSYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION(低排放动力产生系统和合并二氧化碳分离的方法)”的美国临时申请61/542，041的优先权；2011年3月22 日提交的题目为 “LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS HAVING A MAIN AIR COMPRESSOROXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO(具有主空气压缩机氧化剂控制器装置的低排放涡轮系统以及关于其的方法)”的美国临时申请61/466，384的优先权；2011 年 9 月 30 日提交的题目为 “LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS INCORPORATINGINLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATED THERETO (合并入口压缩机氧化剂控制器装置的低排放涡轮系统以及关于其的方法)”的美国临时申请61/542，030的优先权；2011年3月22日提交的题目为“METHODS FOR CONTROLLINGSTOICHIOMETRIC COMBUSTION ON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEM AND APPARATUSAND SYSTEMS RELATED THERETO(控制固定的几何形状燃气涡轮系统上的化学计量燃烧的方法和装置以及关于其的系统)”的美国临时申请61/466，385的优先权；2011年9月30日提交的题目为 “SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTIONIN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS (控制低排放涡轮系统中的化学计量燃烧的系统和方法)”的美国临时申请61/542,031的优先权；2011年3月22日提交的题目为“METHODSOF VARYING LOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUSRELATED THERETO(改变低排放涡轮气体循环电路的方法和系统以及关于其的装置)”的美国临时申请61/466，381的优先权；2011年9月30日提交的题目为“METHODS OF VARYINGLOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATEDTHERETO(改变低排放涡轮气体循环电路的方法和系统以及关于其的装置)”的美国临时申请61/542，035的优先权；所有这些申请在此通过引用以其整体被并入本文。
[0003]本申请涉及2011年9月30日提交的题目为“SYSTEMS AND METHODS FOR CARBONDIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS (用于低排放涡轮系统中的二氧化碳捕获的系统和方法)”的美国临时申请61/542，036 ;2011年9月30日提交的题目为“SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINESYSTEMS(用于低排放涡轮系统中的二氧化碳捕获的系统和方法)”的美国临时申请61/542, 037 ;2011 年 9 月 30 日提交的题目为“SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDECAPTURE IN LOW EMISSION COMBINED TURBINE SYSTEMS (用于低排放结合涡轮系统中的二氧化碳捕获的系统和方法)”的美国临时申请61/542，039 ;所有这些申请在此通过引用以其整体被并入本文。
【技术领域】
[0004]本公开的实施方式涉及低排放动力产生系统。更具体而言，本公开的实施方式涉及燃烧燃料用于动力产生和增强的二氧化碳(CO2)制造以及利用溶剂技术捕获CO2的方法和装置。
【背景技术】
[0005]该部分是为了介绍现有技术的各个方面，其可能与本公开的示例性实施方式有关。相信该讨论有助于提供框架以促进更好地理解本公开的具体方面。因此，应当理解该部分应当以这个角度来阅读，而非必然地承认是现有技术。
[0006]很多产油国家正经历动力需求的强烈国内增长并对提高采收率法采油(EOR)感兴趣，以提高从他们油藏采油。两种常见的EOR技术包含用于油藏压力保持的氮气(N2)注入和用于EOR的混相驱动(miscible flooding)的二氧化碳(CO2)注入。也存在关于温室气体(GHG)排放的全球关注。该关注连同很多国家中的限制和交易政策的执行使得减少CO2排放成为这些和其他国家以及其中操作烃生产系统的公司优先考虑的事。
[0007]—些降低CO2排放的方法包含燃料去碳化或利用溶剂诸如胺类的燃烧后捕获。然而，这两种方案昂贵并降低动力产生效率，导致较低的动力产生、增加的燃料需求和增加的电成本以满足国内动力需求。具体地，氧、硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)的存在使得胺溶剂吸收的使用非常成问题。另一种方法是在组合循环中的含氧燃料(oxyfuel)燃气涡轮(例如，其中来自燃气涡轮布雷顿循环的废热被捕获以制造蒸汽并且在兰金循环中产生额外的动力)。然而，没有可在这样的循环中运转的商业可得的燃气涡轮，并且生产高纯氧要求的动力显著降低了该工艺的总体效率。
[0008]而且，随着关于全球气候变化和CO2排放的影响的增长的关注，已经将重点放在最小化来自动力工厂的CO2排放上。燃气涡轮动力工厂是高效的，并且与核电或煤炭动力产生技术相比具有较低成本。然而，由于排气烟囱中的CO2浓度低，需要处理大体积的气体，并且废气流的压力低，从燃气涡轮动力工厂的废气中捕获CO2是非常昂贵的。这些因素等等导致CO2捕获的闻成本。
[0009]从合并废气再循环回路的低排放动力产生系统捕获和回收CO2已经在前面进行了描述。例如，美国专利申请序列号61/361173说明了使用碳酸钾(K2CO3)溶剂从这样的系统吸收和回收CO2，该申请在此通过引用以其整体被并入本文。然而，当经由溶剂吸收回收CO2时，溶剂也吸收少量的挥发性组分(比如，例如氮、氧、氩和一氧化碳)，其在基于水的溶剂比如K2CO3中会有小的溶解度。一旦再生溶剂以释放吸收的CO2时，这些挥发性组分也将被离析，并且将与CO2保留在一起。如果CO2被用于EOR或被注入到油藏用于埋存(sequestration),挥发物的存在可能是不期望的。例如，氧的存在可能提高腐蚀速度，而如果在启动期间或过程故障条件下被释放，一氧化碳(CO)的存在可能导致安全或环境的危害。
[0010]因此，仍然对具有以降低的成本的合并的CO2捕获和回收的低排放、高效率动力产生过程存在实质需求。此外，当K2CO3溶剂被用于CO2分离时，对于从回收的CO2中去除挥发性物仍然有兴趣。
【发明内容】
[0011] 本发明涉及低排放动力产生系统，其合并废气再循环回路和使用基于碳酸钾(K2CO3)的分离系统的二氧化碳(CO2)捕获和回收。在本文所述的低排放动力产生系统中，在典型的天然气结合的循环工厂中被排出的来自低排放燃气涡轮的废气被改为再循环，并且一部分再循环的废气被分离和回收。本发明的装置、系统和方法使用K2CO3溶剂分离废气以吸收和回收C02。这样的K2CO3分离方法有时候被称为热碳酸钾或“热罐(hot pot) ”方法。用于在再生溶剂和去除CO2之前从富CO2溶剂中去除挥发性组分的装置和方法被进一步合并于此，使得生产具有很少以至没有污染物的高纯度C02。被回收的CO2可以被用于提高采收率法采油(EOR)、埋存、存储或用于若干其他目的。
[0012]在本发明的系统和方法中，在压缩的再循环流的存在下在燃烧室中燃烧燃料和压缩的氧化剂以生成排放流。将该排放流膨胀以生产电力，并且生成气态废流，并且该气态废流被冷却以及被再流通(recirculate)到主压缩机。主压缩机生成压缩的再循环流。一部分压缩的再循环流被引导返回至燃烧室以便在燃烧期间作为稀释剂，而压缩的再循环流的剩余部分被引导至CO2分离系统。在CO2分离系统内，废气被冷却并被引导至吸收塔，其中K2CO3溶剂用于从废气吸收CO2,生成富氮残余流和碳酸氢盐溶剂溶液。
[0013]在本发明的一个或多个实施方式中，通过用蒸气比如氮、氩或蒸汽汽提溶剂溶液，从碳酸氢盐溶剂溶液去除挥发性组分。在其他实施方式中，通过闪蒸溶剂溶液至足以将气态挥发物从溶剂释放而同时保持CO2在液态溶液中的压力，从碳酸氢盐溶剂溶液去除挥发性组分。然后，挥发性组分可被再循环至废气再流通(EGR)系统，比如通过将挥发物与进入主压缩机的冷却的再循环流结合。在两种情形下，一旦挥发物已被从碳酸氢盐溶剂溶液去除，溶液被闪蒸至大气压或接近大气压，并且通过煮沸碳酸氢盐溶剂溶液以去除CO2和水、生产贫再生的K2CO3溶剂而进行再生。再生的溶剂可以被再循环至吸收塔，而从溶剂溶液去除的CO2和水可以被冷却和冷凝以生成水流和回收的CO2流。通过在再生溶剂和回收CO2之前将挥发性物从碳酸氢盐溶剂溶液去除，获得较高纯度CO2产品。 【专利附图】
【附图说明】
[0014]本公开的上述和其他优势可在回顾以下详细描述和实施方式的非限制性实施例的附图后变得显而易见，其中:
[0015]图1描绘了用于低排放动力产生和增强的CO2回收的综合系统。
[0016]图2描绘了用于低排放动力产生和增强的CO2回收的综合系统中使用的例证性CO2捕获系统。
[0017]图3描绘了合并汽提部分以在再生碳酸氢盐溶剂溶液和去除CO2之前去除挥发物的另一个例证性CO2捕获系统。
[0018]图4描绘了合并闪蒸步骤以在再生碳酸氢盐溶剂溶液和去除CO2之前去除挥发物的另一个例证性CO2捕获系统。
[0019]图5描绘了用于低排放动力产生和增强的CO2回收的综合系统，其中在CO2捕获系统中去除的挥发物被再循环至废气再流通系统。
[0020]发明详述
[0021]在以下详述部分，本公开的【具体实施方式】结合优选实施方式进行描述。然而，对于以下描述对于本公开的特定实施方式或特定用途是特异性的而言，意欲仅用于示例性目的和简单地提供示例性实施方式的描述。因此，本公开不限于以下描述的【具体实施方式】，而是它包含落入所附权利要求的真实精神和范围内的所有可选方案、更改和等价物。[0022]本文所用的多种术语定义如下。对于在权利要求中使用的术语在以下未定义而言，其应该给予在已经给予该术语的相关领域中的人最广泛的定义，如在至少一个印刷出版物或授权的专利中反映的。
[0023]如本文所用的，术语“天然气”指的是从原油井(相关的气体)或从地下含气地层(非相关的气体)获得的多组分气体。天然气的组成和压力可显著变化。典型的天然气流含有甲烷(CH4)作为主要组分，即大于50mol%的天然气流为甲烷。天然气流也可含有乙烷(C2H6)、较高分子量烃(例如，C3-C2tl烃)、一种或多种酸性气体(例如，硫化氢、二氧化碳)或其任何组合。天然气也可含有少量污染物，诸如水、氮气、硫化铁、蜡、原油或其任何组合。
[0024]如本文所用的，术语“化学计量的燃烧”指的是具有一定体积的包括燃料和氧化剂的反应物和一定体积的由燃烧反应物形成的产物的燃烧反应，其中反应物的整个体积用于形成该产物。如本文所用的，术语“基本上化学计量的燃烧”指的是具有等价比在以下范围中的燃烧反应:从大约0.9:1至大约1.1:1，或更优选从大约0.95:1至大约1.05:1。
[0025]如本文所用的，术语“流”指的是流体的体积，尽管使用术语流通常指的是流体的移动体积(例如，具有速度或质量流速)。然而，术语“流”不需要速度、质量流速或特定类型的管道用于封装流。[0026]如本文所用的，短语“接近大气压”指的是在实际大气压的大约10%内、或优选地大约5%内的压力。例如，如果大气压是14.7psi，则在大约13.2psi到大约16.2psi的范围内的任何压力被认为“接近大气压”。
[0027]目前公开的系统和方法的实施方式可用于生产超低排放电力和CO2,用于EOR或埋存应用。根据本文公开的一些实施方式，空气和燃料的混合物可以被燃烧，并且同时与再循环的废气的流混合。再循环的废气的流被冷却和压缩，并且可以被用作稀释剂以控制或以其他方式调节燃烧的温度和进入随后的膨胀器的废气的温度。在一个或多个实施方式中，燃烧条件是非化学计量的。在其他实施方式中，燃烧条件是化学计量的或基本上化学计量的。
[0028]未再循环至燃烧室的废气被分离以捕获CO2和生成包括氮的残余流。在EOR应用中，通常在超临界条件下，回收的CO2被注入生产油井或邻近生产油井。CO2作为增压剂，以及当被溶解至地下原油中时显著降低油的粘度，使得油能够更快速地流过地层到达分离井(removal well)。包括氮(并且常常也有氧和氩)的残余流可以被用于生成额外的动力，并且也可以被用于多种目的，包括用于压力保持。在压力保持应用中，惰性气体比如氮被压缩和注入油气藏，以便保持油藏中的初始压力，从而允许烃的增强的采收率。本文公开的系统的结果是以更经济有效的方式生产动力以及浓缩和捕获C02。
[0029]以接近化学计量条件的燃烧(或“稍微富的”燃烧)可以证明是有利的以便消除过量氧去除的成本。通过冷却废气和从流冷凝出水,可以生产相对高含量的CO2流。尽管一部分再循环的废气可以被用于闭合布雷顿循环中的温度调节，但剩余的净化流可以被用于EOR应用，并且可生产电力，很少或没有S0X、NOx或CO2排放至大气。该方法的结果是生产动力和制造额外的CO2。
[0030]在废气被压缩用于再流通之前，与废气的压力升压结合的燃料的化学计量的或基本上化学计量的燃烧，可以使得CO2分压比在常规的燃气涡轮废气中高得多。结果，CO2分离方法中的碳捕获可利用较小能量密集溶剂诸如碳酸钾(K2CO3)进行。废气中氧气(O2)、硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)的存在使胺溶剂(例如，MEA，DEA，MDEA和相关溶剂)的使用困难——即使利用更高的压力和增加的CO2含量，因为胺溶剂可在它们存在时分解。此外，K2CO3容易吸收SOx和N0X，将其转化成简单的肥料，诸如亚硫酸钾(K2SO3)和硝酸钾(KNO3)。这些肥料可以容易地以环境无害的方式排出。
[0031]在本发明的一个或多个实施方式中，提供了综合动力产生系统，其包括燃气涡轮系统、废气再流通系统和CO2分离系统。下面更详细地描述这些组件中的每个的各种实施方式。
[0032]燃气涡轮系统
[0033]燃气涡轮系统包括燃烧室、入口压缩机和膨胀器，其中燃烧室配置用于在压缩的再循环流的存在下燃烧一种或多种压缩的氧化剂和一种或多种燃料，以便生成排放流。将该排放流在膨胀器中膨胀，以生成气态排放流。一种或多种氧化剂可以包括任何含氧流体，比如环境空气、富氧空气、基本上纯氧或其组合。一种或多种燃料可以包括天然气、伴生气、柴油、燃料油、气化的煤(gasified coal)、焦炭、石脑油、甲烧、乙烧、丁烧、丙烷、合成气、煤油、航空燃料、生物燃料、氧化的烃原料、含有气体或液体的其他合适的烃、氢、一氧化碳或其组合。此外，燃料可以包括惰性组分，其包括但不限于队或0)2。在一些实施方式中，燃料可以至少部分地由油气藏供应，其受益于经过注入使用本文所述的方法捕获的CO2的E0R。在某些实施方式中，燃料包括天然气。
[0034]在一个或多个实施方式中，燃烧室中的燃烧条件是化学计量的或基本上化学计量的。稀释剂可以被供应至燃烧室，以控制或以其他方式调整燃烧和烟道气的温度，以满足随后的膨胀器的材料要求。稀释剂的流动可以被调整，以帮助保持燃烧室中的化学计量的条件，调节组成、体积流量的变化，或氧化剂和燃料流的其他变化。在一个或多个实施方式中，提供至燃烧室的稀释剂包括至少一部分压缩的再循环流。
[0035]在一些实施方式中，高压蒸汽也可以被用作燃烧室中的稀释剂。在这种实施方式中，添加蒸汽将降低系统中的功率和大小要求，但是将需要添加水再循环回路。
[0036]此外，在进一步实施方式中，进料至燃烧室的压缩的氧化剂可以包括氩。例如，氧化剂可以包括从大约0.1到大约5.0vo 1%的氩、或从大约1.0到大约4.5vol%的氩、或从大约2.0到大约4.0vo 1%的氩、或从大约2.5到大约3.5vol%的氩，或大约3.0vo 1%的氩。
[0037]入口压缩机可以是单个压缩机或并联或串联操作的两个或多个压缩机。每个压缩机可以包括单级或多级。在多级压缩机中，可任选地采用中间级冷却以允许更高的整体压缩比和更高的整体功率输出。当多于一个压缩机被用于压缩氧化剂流时，在本文压缩机在一起被认为是“入口压缩机”。入口压缩机可以是适合本文所述方法的任何类型。这种压缩机包括但不限于，轴流式、离心式、往复式或双螺杆压缩机及其组合。在一个或多个实施方式中，入口压缩机包括轴流式压缩机。
[0038]氧化剂和燃料在燃烧室中的燃烧生成排放流。排放流包括燃烧的产物，并且他们的单个组成将取决于用于燃烧室中的燃料和氧化剂的组成而变化。在一个或多个实施方式中，排放流可以包括蒸发的水、CO2, O2、一氧化碳(CO)、氮气(N2)、氩(Ar)、NOx, S0X、硫化氢(H2S)或其组合。排放流可在膨胀器中被膨胀，以便形成气态排放流。
[0039] 膨胀器可以是单个膨胀器或并联或串联操作的两个或多个膨胀器。每个膨胀器可以包括单级或多级。当多于一个膨胀器被用于膨胀排放流时，在本文膨胀器在一起被认为是“膨胀器”。膨胀器可以是适合本文所述方法的任何类型，包括但不限于轴流式或离心式膨胀器或其组合。排放流的膨胀生成动力，其可以被用于驱动一个或多个压缩机或发电机。在本发明的一个或多个实施方式中，膨胀器经过共同的轴或其他机械、电的或其他动力连接被连接至在下文进一步详细描述的主压缩机，使得主压缩机至少部分地被膨胀器驱动。在其他实施方式中，主压缩机可以被机械地连接至有或没有速度增加或降低设备，比如齿轮箱的电动机。当将主压缩机、燃烧室和膨胀器结合在一起时，它们可以被表征为布雷顿循环。
[0040]废气再流通(EGR)系统
[0041]废气再流通(EGR)系统包括升压压缩机或鼓风机以及流体连接至升压压缩机的一个或多个冷却单元，其中升压压缩机配置为接收和增加气态排放流的压力，以及一个或多个冷却单元配置为冷却气态排放流并且向主压缩机提供冷却的再循环流。主压缩机压缩冷却的再循环流并且生成压缩的再循环流。至少一部分压缩的再循环流被引导返回至燃烧室，而包括另一部分压缩的再循环流的净化流被冷却，以生成被引导至CO2分离系统的冷却的净化流。
[0042]升压压缩机(或鼓风机)以及一个或多个冷却单元可以以适合期望目的的任何方式布置。例如，一个或多个冷却单元可以被定位在升压压缩机的上游或下游，或者可以被定位在升压压缩机的上游和下游。一个或多个冷却单元可以是适于降低废气的温度的任何类型的装置，比如例如热回收单元(HRU)、热交换器、再生器、直接接触冷却器(DCC)、调温冷却器、机械制冷单元或其组合。在一些实施方式中，冷却单元是HRU，其可以被定位在升压压缩机的上游。当被使用时，HRU可以配置为接收气态排放流并且利用流中的残余热量比如在热回收蒸汽发生器( HRSG)中以再生蒸汽。由HRSG生成的蒸汽可以被用于多种目的，t匕如驱动兰金循环中的蒸汽涡轮发生器或用于水脱盐。在相同或其他实施方式中，冷却单元是DCC，其可以被定位在升压压缩机的上游或下游。当被使用时，DCC可以配置为经过水排泄流去除一部分从冷却的再循环流中冷凝的水。在一些实施方式中，水排泄流可任选地按路线发送至HRSG，以提供用于生成额外的蒸汽的水源。在一些实施方式中，HRSG和DCC 二者被用于冷却气态排放流，并且每一个被定位在升压压缩机的上游。
[0043]在一个或多个实施方式中，冷却的再循环流被引导至主压缩机，并且被压缩以生成压缩的再循环流。主压缩机可以是单个压缩机或以并联或串联操作的两个或多个压缩机。每个压缩机可以包括单级或多级。在多级压缩机中，可任选地采用中间级冷却以允许更高的整体压缩比和更高的整体功率输出。当多于一个压缩机被用于压缩冷却的再循环流时，在本文压缩机在一起被认为是“主压缩机”。主压缩机可以是适合本文所述方法的任何类型。这种压缩机包括但不限于，轴流式、离心式、往复式或双螺杆压缩机及其组合。在一个或多个实施方式中，主压缩机包括轴流式压缩机。冷却和压缩废气有助于解决与必须被处理的大体积气体和通常导致CO2捕获的高成本的低压排放流有关的问题，因此使得本系统中的CO2捕获和回收更有效率并且更加成本有效。
[0044]在离开主压缩机后，压缩的再循环流可以被引导至燃烧室用作稀释剂以控制或以其他方式调整燃烧和烟道气的温度，以满足随后的膨胀器的材料要求，并且当期望的时候，在燃烧室中保持化学计量燃烧条件。在一个或多个实施方式中，净化流可以被从压缩的再循环流中转移，并且被引导至CO2分离系统。本领域技术人员将认识，中间的加热、冷却或其他过程操作可以被要求，以便净化流在为采用的具体分离方法优化的条件下进入CO2分离系统。在一个或多个实施方式中，例如，热交换器或其他冷却单元可以被用于冷却净化流，以生成被引导至CO2分离系统的冷却的净化流。热交换器可以采用适于影响期望的冷却量的任何冷却流体，包括但不限于海水、冷冻水、一种或多种制冷剂、其他过程流或其组合。在一些实施方式中， 净化流可以在配置为使用离开CO2分离系统的吸收塔的富氮残余流用于冷却的交叉交换器中被冷却。在残余流稍后被膨胀以生成动力的实施方式中，交叉交换净化流和残余流可能是特别有利的，因为被提供给残余流的额外的热可以允许增加的动力产生。
[0045]二氧化碳分离系统
[0046]燃烧室中化学计量的燃烧(当使用时)和通过一个或多个冷却单元去除水的结合允许废气中的CO2含量积累到大约10vol%或更高，这比常规的结合的循环系统中的废气更高。这些效果加上升压压缩机实施所产生的更高压力的影响，使得CO2分压比在常规的燃气涡轮废气中高得多。因此，这允许使用更少的能量密集溶剂例如K2CO3溶剂技术的CO2分离系统中的碳捕获。
[0047]02、SOx以及NOx的存在使得难以使用胺溶剂(例如，MEA、DEA、MDEA和相关的溶剂)，即使通过更高压力和提高的CO2含量，由于这些气体可以导致胺分解。然而，碳酸钾是非反应性的，并且不受氧的任何影响。虽然在一些实施方式中，在燃烧室中进行的反应可以是化学计量的，但是由于燃烧平衡限制，小部分的O2可存在于冷却的净化流中。而MEA溶剂将需要大量的溶剂收回和安全处理，使用K2CO3消除了基于氧的溶剂分解。
[0048]碳酸钾容易吸收废气中的SOx或N0X，将这些化合物转化为简单的肥料，例如亚硫酸钾(K2SO3)和硝酸钾(KNO3)。具体地，SO2, SO3和NO2均在水中形成比CO2强得多的相当强的酸。因此，它们将被优先地吸收到溶剂溶液中，但是将变成热稳定的盐(HSS)，并且不会通过再生被去除。另一方面，NO和N2O具有低的溶解度，并且比NO2更难以吸收，并且倾向于以更低的浓度存在。作为简单的肥料，只要没有其他有毒化合物例如腐蚀抑制剂、活化剂等被添加到溶剂系统中，K2SO3和KNO3可容易地以对环境无害的方式排放。当硫酸盐和硝酸盐化合物被去除时，氢氧化钾(KOH)可以被添加用于溶剂补充。由于氢氧化钾是相当廉价的化学品，这可以相当经济地实现。
[0049]因此,在一个或多个实施方式中，CO2分离系统包括配置为使用K2CO3溶剂从冷却的净化流吸收CO2的吸收塔。随着在吸收塔中CO2被K2CO3吸收，其与水反应以形成碳酸(H2CO3)，以及然后是碳酸氢盐(HCO3)。碳酸的酸性部分(H+)可以和碳酸根离子(C03_2)反应以形成额外的碳酸氢根离子。因此，整个反应可以如下:
[0050]C02+H20+K2C03 ^ 2KHC03
[0051]结果，吸收塔生成富氮残余流和如上所述的碳酸氢盐溶剂溶液。
[0052]来自吸收塔的富氮残余流可以被全部或部分用于各种应用。例如，残余流可以被注入到油气藏用于压力保持。残余流也可以被出售、存储或排出。在一个或多个实施方式中，当压力保持不是可行的选项时(或当仅一部分残余流被要求用于压力保持时)，残余流可以通过膨胀或另一方法被冷却，并且用于在本文所述的系统中提供制冷。例如，冷却的残余流可以被用于提供制冷以降低系统内的一个或多个压缩机的抽气吸气温度，或被用于冷冻水，以便用于系统内一个或多个冷却单元。[0053]在其他实施方式中，当全部或部分的残余流未被用于压力保持时，残余流可改为在涡轮中膨胀之前被加热，以便可以生成额外的动力用于系统中的其他地方或用于出售。加热残余流的一些方法包括用热交换器中的另一过程流交叉交换残余流(比如如上所述的净化流、或分离系统内或整个动力产生系统中的另一流)，或使用补充燃烧器以对残余流供应额外的热。将理解，使用额外的燃烧器将需要额外的燃料。如果在燃烧器中使用含碳燃料，则将生成从残余流不可回收的额外的co2。因此，在一些实施方式中，在燃烧器中使用的燃料可以是非碳燃料源，比如氢。补充燃烧器所需要的氧化剂可以经过单独的氧化剂流被供应，或者在残余流中存在充足的氧化剂，使得氧化剂的额外供应是不必要的。用于加热吸收塔残余流的其他可能的方法包括使用HRSG中的加热线圈加热残余流、使用催化作用以燃烧残余流中存在的任何CO，或加热流作为使用残余流用于冷却的结果(即，当残余流对其他流或装置提供冷却时，流自身被加热)。
[0054]在一个或多个实施方式中，离开吸收塔的碳酸氢盐溶剂溶液经阀门或其他减压设备被闪蒸至接近大气压。在一些实施方式中，减压设备可以是配置为生成额外动力的水轮机。一旦被闪蒸至接近大气压，碳酸氢盐溶剂溶液可以在再生塔中被煮沸，以便去除CO2和水，产生可以被再循环到吸收塔的再生的碳酸钾溶剂。
[0055]在一些实施方式中，再生塔可以在超出水的沸点的温度下操作。例如，再生塔可以在从下限为大约220° F或大约230° F或大约240° F到上限为大约280° F、大约290° F或大约300° F的温度范围内操作。在相同或其他的实施方式中，再生塔可以在范围从大约Opsig到大约IOpsig的压力下操作。在至少一个实施方式中，再生塔可以配置为在大约3psig的压力下操作。
[0056]再生塔可以配 置为使用在其中流通的蒸汽以煮沸碳酸氢盐溶剂，并且逆转在吸收塔中进行的反应，从而产生适合再流通至吸收塔的再生的、贫碳酸钾溶剂。在至少一个实施方式中，管线泵或类似设备可以被用于驱动至少一部分贫碳酸钾溶剂返回至吸收塔。
[0057]在一个或多个实施方式中，一部分被再流通至吸收塔的贫碳酸钾溶剂可任选地被去除为热稳定的盐(HSS)。例证性的HSS可以包括复合肥料，包括但不限于亚硫酸钾和/或硝酸钾。为了补充当HHS被去除时碳酸钾含量的损失，以及为了保持整体的溶液浓度，氢氧化钾流随后可以被供给至被引导至吸收塔的贫碳酸钾流或被供给至吸收塔本身。在一个或多个实施方式中，氢氧化钾用作溶剂补充。
[0058]被引导至吸收塔的贫碳酸钾溶剂在进入吸收塔之前可任选地被引导通过第一冷却单元。在一个或多个实施方式中，第一冷却单元可以是例如配置为降低溶剂温度的空气冷却器或散热器型热交换器。如果被使用，第一冷却单元可以配置为将贫碳酸钾溶剂的温度降低到从大约230° F到大约60° F的范围内的温度。
[0059]为了生成在再生塔中流通的蒸汽并且保持再生需要的热，在一个或多个实施方式中，再生塔进一步包括被流体连接至再生塔的再沸器。再沸器可以配置为加热未被再流通至吸收塔的至少一部分贫碳酸钾溶剂，以产生加热的贫碳酸钾溶剂。然后，加热的贫碳酸钾溶剂可以被再循环到再生塔，以产生用于煮沸碳酸氢盐溶剂溶液的蒸汽。在至少一个实施方式中，再沸器可以从EGR系统中的HRSG被供应热。但是在其他实施方式中，再沸器可以从另一源被供应热，比如从蒸汽涡轮的中间提取或排放供应热。
[0060]包括在冷却的净化流中的水可以冷凝到吸收塔中的碳酸氢盐溶剂溶液中，并随后在再生塔中煮沸。结果，再生塔可以进一步经过塔顶流排放在再生过程期间从溶剂分离出来的CO2以及任何残余水。在至少一个实施方式中，CO2(通常是蒸气)和残余水在被引导至冷凝器或其他分离容器之前可以被引导通过第二冷却单元，比如空气冷却器或散热器型热交换器。冷凝器可以配置为从任何回收的CO2分离残余水，以生成水流和主要包括CO2的流。
[0061]在一些实施方式中，至少一部分离开冷凝器的水可以被再流通返回至再生塔中，以允许系统中水的平衡被保持。水经常经过冷却的净化流被引入溶剂中，以及随后经过冷凝器被去除。为了保持溶剂状态和浓度，在CO2分离系统内水必须保持平衡。因此，水被再流通至再生塔可以允许水被返回，以便可以独立于该水的平衡控制由再沸器生成的蒸汽。换句话说，再流通的水可以被用作用于在再生塔中生成蒸汽的给水或用于由进料冷却生成低压蒸汽。在相同或其他实施方式中，一部分离开冷凝器的水可以被处理为新鲜的工艺用水。例如，尽管在一些实施方式中，离开冷凝器的水可以包含一部分溶解的CO2，但是其可以被用于灌溉用水、被处理用作锅炉给水、和/或用作清洁工艺用水。
[0062]在一些实施方式中，离开冷凝器的分离CO2可以随后被压缩，用于应用比如CO2埋存或存储、提高采收率法采油、CO2销售、碳捕获、和/或其组合。在一个或多个实施方式中，离开冷凝器的CO2流具有高纯度，并且包括至少95mol%的CO2、或至少98mol%的CO2、或至少 99mol% 的 CO2、或至少 99.5mol% 的 CO2。
[0063]去除挥发性组分
[0064]当CO2经过如上所述的溶剂吸收被回收时，溶剂也可吸收少量的挥发性组分(比如，例如N2、O2、気和CO)，其在基于水的溶剂比如K2CO3中将有小的溶解度。在再生溶剂以释放吸收的CO2后，这些挥发性组分也被离析并且和CO2保留在一起。在某些情况下，比如当CO2被用于EOR或被注入油藏用于埋存时，挥发物的存在可能是不期望的。例如，氧的存在可能提高腐蚀速度，而如果在启动期间或过程故障条件下释放C02，则CO的存在可能导致安全或环境危害。
[0065]因此，在本发明的某些实施方式中，离开吸收塔的富碳酸氢盐溶剂溶液在高压或中等压力下被处理，以在将溶液闪蒸至接近大气压和在再生塔中被再生之前，去除挥发性组分。去除的挥发性组分可以包括但不限于02、N2、Ar和CO。去除挥发物的两种方法一用蒸气汽提和两级闪蒸——在本文进行了描述。本领域技术人员应当理解，这些方法上的变化对于从碳酸氢盐溶剂溶液去除挥发物可以也是有效的，并且设计以从溶液去除挥发物而没有去除CO2 (或虽然仅去除可忽略的量的CO2)的任何这样的方法被认为是在本发明的范围内。
[0066]蒸气汽提
[0067]在本发明的一个或多个实施方式中，通过在汽提塔或汽提段用蒸气汽提溶剂，从富碳酸氢盐溶剂溶液去除挥发物。蒸气可以是不与溶剂溶液中的CO2相互作用的任何(优选是清洁的)蒸气。合适的蒸气可以包括但不限于，氮、氩、蒸汽及其组合。
[0068] 在一个或多个实施方式中，汽提段被合并为吸收塔内的附加级(通常在塔的底部)，使得蒸气流在或接近塔的底级进入吸收塔，而冷却的净化流被供给在汽提级正上方的塔的中间。已经将挥发物汽提的富碳酸氢盐溶剂溶液离开吸收塔的底部，而汽提蒸气(包括从溶剂去除的挥发物)继续在吸收塔向上，并作为富氮残余流的一部分离开塔。[0069]在其他实施方式中，汽提段可以是与吸收塔分开的附加塔。在这种实施方式中，蒸气流被供给至或接近汽提塔的底部，以及离开吸收塔的富碳酸氢盐溶剂被供给至或接近汽提塔的顶部。以该方式，蒸气和碳酸氢盐溶剂溶液逆流地通过汽提塔。因此，汽提塔生成第一(或塔顶)流，其包括汽提蒸气和从碳酸氢盐溶剂溶液去除的挥发物，以及第二(或底部)流，其包括已经被汽提挥发物的碳酸氢盐溶剂溶液。塔顶流可以被再循环到吸收塔，使得汽提蒸气(包括从溶剂去除的挥发物)离开吸收塔作为富氮残余流的一部分。
[0070]在任一种情况下，碳酸氢盐溶剂溶液的汽提通常在或接近进入吸收塔的冷却的净化流的压力的高压下发生。通过在高压下汽提富碳酸氢盐溶剂，挥发物被从溶剂溶液去除，而基本上所有的CO2保留在离开汽提段或汽提塔的碳酸氢盐溶液流中。然后，碳酸氢盐溶剂溶液可以经过阀门或其他减压设备(例如，水轮机)被闪蒸至接近大气压，并且被引导至再生塔。通过以该方式(即，在将溶剂溶液闪蒸至接近大气压和再生溶剂之前)去除挥发物，纯的或几乎纯的CO2流可以从CO2分离系统中去除。
[0071]如上所述，当采用汽提段或汽提塔时，汽提蒸气将在富氮残余流中离开吸收塔。应当明白，可需要进一步处理该流以考虑存在于流中的蒸气。此外，在富氮残余流被膨胀以生成动力的实施方式中，可以期望的是使残余流通过氧化催化剂上方，使得当或如果残余流稍后被排出时，没有CO被排放。在进入氧化催化剂之前，过量的氧可以被添加至流，以确保任何CO的完全燃烧。这样的燃烧将进一步有利地加热残余流，从而允许增加的动力产生。
[0072]两级闪蒸
[0073]在一个或多个其他实施方式中，代替使用汽提塔或汽提段去除挥发物，离开吸收塔的富碳酸氢盐溶剂溶液可以改为经过阀门或其他减压设备被闪蒸至冷却的净化流的压力与大气压之间的中等(或降低的)压力。通过闪蒸至较低的、但仍然是高压，碳酸氢盐溶剂溶液变成包括气相和液相的双相流。在一个或多个实施方式中，选择溶剂被闪蒸至的降低的压力，以便气相包括溶液中的挥发性组分(例如氮、氧、氩、一氧化碳及其组合)，而基本上所有的CO2保留在溶液的液相中。在一些实施方式中，例如，碳酸氢盐溶剂溶液的气相包括少于大约5mol%、或少于大约3mol%、或少于大约2mol%、或少于大约Imo 1%、或少于大约
0.5mol%、或少于大约 0.1mo 1% 的 CO2。
[0074]在某些实施方式中，双相溶剂溶液可以被引导至闪蒸容器或配置为将气态挥发物从包括CO2的液态碳酸氢盐溶剂溶液中分离出来的其他分离设备。在一些实施方式中，进入闪蒸容器的全部CO2的至少大约95mol%、或至少大约97mol%、或至少大约98mol%、或至少大约99mol%保留在溶液中，并且与液态碳酸氢盐溶剂溶液一起从闪蒸容器中去除。然后，离开闪蒸容器的挥发物可以被再循环至废气再流通系统。例如，挥发物可以被再循环，并且与主压缩机上游的冷却的再循环流结合。通过以该方式再循环挥发物，CO和O2可以被再次用于燃烧，从而提高动力产生系统的效率。此外，如果任何CO2与挥发物被一起去除，其通过CO2分离系统被再压缩和再处理，用于回收。
[0075]在一个或多个实施方式中，离开闪蒸容器的碳酸氢盐溶剂溶液可以经过第二阀门或其他减压设备被闪蒸至接近大气压，并被引导至再生塔。通过以该方式(即，在中等压力下和在将溶剂溶液闪蒸至 接近大气压和再生溶剂之前)去除挥发物，纯的或几乎纯的CO2流可以从CO2分离系统中回收。
[0076]如可以被本领域技术人员理解，选择用于从富碳酸氢盐溶剂溶液去除挥发物的方法和装置可以受到各种因素影响。例如，离开吸收塔的富氮残余流的预期用途可以有助于确定哪一种挥发物去除方法是优选的。如之前所述，在富氮残余流被膨胀以生成动力的实施方式中，尤其当残余流通过氧化催化剂上方以燃烧CO时，使用蒸气汽提去除挥发物可能是有利的。这样的燃烧将进一步加热残余流，从而允许增加的动力产生。可选地，当富氮残余流被用于油气藏中的压力保持时，通过如上所述的两级闪蒸去除挥发物可能优选的。通过在两级闪蒸方法中将从碳酸氢盐溶剂中去除的挥发物再循环至EGR，而不是将挥发物与残余流结合(如在蒸气汽提方法中)，燃料效率得以最大化，因为挥发物中的所有燃料和/或氧化值被再循环和回收。
[0077]现参考附图，通过参考在图1和2中描述的基本情况，可以最好地理解本发明的实施方式。图1描述用于动力产生和CO2回收的例证性综合系统100的示意图。在至少一个实施方式中，动力产生系统100可以包括燃气润轮系统102,其被表征为动力生产的、封闭的布雷顿循环。燃气涡轮系统102可以具有经过轴108连接至膨胀器106的第一或主压缩机104。轴108可以是任何机械的、电气的或其他动力连接，从而允许一部分膨胀器106生成的机械能驱动主压缩机104。在至少一个实施方式中，燃气涡轮系统102可以是标准的燃气涡轮，其中主压缩机104和膨胀器106分别形成压缩机末端和膨胀器末端。然而，在其他实施方式中，主压缩机104和膨胀器106在系统102中可以是单独的组件。[0078]燃气涡轮系统102也可以包括燃烧室110，其配置为燃烧与管线114中的压缩的氧化剂混合的管线112中的燃料。在一个或多个实施方式中，管线112中的燃料可以包括任何合适的烃气体或液体，例如天然气、甲烷、乙烷、石脑油、丁烷、丙烷、合成气、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化的烃原料、氢、一氧化碳或其组合。管线114中的压缩的氧化剂可以从流体连接至燃烧室110并且适于压缩进料氧化剂120的第二或入口压缩机118获得。在一个或多个实施方式中，进料氧化剂120可以包括含氧的任何合适的气体，例如空气、氧气、富氧空气或其组合。
[0079]如将在下面更详细地描述的，燃烧室110还可以接收压缩的再循环流144，其包括主要具有CO2和氮组分的废气。压缩的再循环流144可以从主压缩机104得到，并且在一些实施方式中，可以适于有助于促进管线114中的压缩的氧化剂和管线112中的燃料的化学计量的或基本上化学计量的燃烧，以及也增加废气中CO2浓度。在存在压缩的再循环流144的情况下，管线116中的废气可以生成为管线112中的燃料与管线114中的压缩的氧化剂的燃烧产物。在至少一个实施方式中，管线112中的燃料可以主要是天然气，从而产生包含体积部分的气化的水、CO2、氮、氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的管线116中的废气。在一些实施方式中，由于燃烧平衡限制，小部分未燃烧的燃料或其他化合物也可以存在于管线116中的废气中。管线116中的废气可以被引导至膨胀器106的入口。当管线116中的废气膨胀通过膨胀器106时，其生成机械动力以驱动主压缩机104，以及也在管线122中产生气态废气，其具有由管线144中的压缩的再循环废气的流入产生的提高的CO2含量。
[0080]动力产生系统100还可以包括废气再流通(EGR)系统124。在一个或多个实施方式中，EGR系统124可以包括热回收蒸汽发生器(HRSG) 126或类似的设备。管线122中的气态废气可以被发送到HRSG126，以便在管线130中生成蒸汽和在管线132中生成冷却的废气。在一些实施方式中，管线130中的蒸汽可以被发送到蒸汽涡轮(未示出)，以便生成额外的电力，或被发送到CO2分离器148，以便给再沸器提供热。在这种实施方式中，HRSG126与蒸汽涡轮的组合可以被表征为兰金循环。结合燃气涡轮系统102，HRSG126和蒸汽涡轮——当其被包括时，可形成联合循环动力产生工厂的一部分，诸如天然气联合循环(NGCC)工厂。
[0081]管线132中的冷却的废气可以被发送至至少一个冷却单元134，冷却单元134配置为降低管线132中的冷却的废气的温度，以及生成冷却的再循环气流140。在一种或多种实施方式中，冷却单元134可为直接接触冷却器、调温冷却器(trim cooler)、机械制冷单元或其组合。冷却单元134也可被配置为用于经水排泄流(未示出)去除一部分冷凝水，水排泄流可在至少一个实施方式中按路线发送至HRSG126，以提供用于产生管线130中额外的蒸汽的水源。在一种或多种实施方式中，冷却的再循环气流140可被引导至流体连接至冷却单元134的增压器142。在冷却单元134中，冷却管线132中的冷却的废气可减少压缩增压器142中冷却的再循环气流140需要的动力。
[0082]增压器142可被配置用于在冷却的再循环气流140被引入主压缩机104之前增加其压力。与常规风扇或鼓风机系统相反，增压器142增加冷却的再循环气流140的总体密度，从而引导增加的质量流速的相同体积流量至主压缩机104。因为主压缩机104通常是体积-流量限制的，引导更多质量流量通过主压缩机104可导致来自主压缩机104的较高排出压力，从而经过膨胀器106转换成较高的压力比。经过膨胀器106产生的较高压力比可允许较高的入口温度，并且因此增加膨胀器106的动力和效率。这可证明是有利的，因为管线116中富含CO2的废气通常保持较高的比热容。
[0083]主压缩机104可被配置用于压缩从增压器142接收的冷却的再循环气流140至稍高于燃烧室Iio压力的压力，从而产生压缩的再循环流144。在至少一个实施方式中，净化流146可从压缩的再循环流144转移并随后在CO2分离器148中进行处理以经管线150捕获C02。管线150中分离的CO2可用于出售，用于需要二氧化碳的另一个工艺，和/或被压缩和注入陆地油藏， 用于提高采收率法采油(EOR)，埋存或另一个目的。
[0084]基本上耗尽CO2并且主要由氮气组成的残余流151可源于CO2分离器148。在一种或多种实施方式中，残余流151可在流体连接至CO2分离器148的气体膨胀器(未示出)诸如产生动力的氮气膨胀器中进行膨胀。在这样的实施方式中，气体膨胀器可通过公共轴或其他机械、电或其他动力连接任选地连接至入口压缩机118，从而允许由气体膨胀器产生的一部分动力驱动入口压缩机118。无论是否如本文所述被膨胀，残余流151可以被排出到大气中，或实施成为本领域中已知的其他下游应用。例如，膨胀的氮气流可以被用于配置为进一步降低废气的温度的蒸发冷却过程。在一个或多个实施方式中，管线151中的废气可以适于注入到油藏中，用于压力保持应用。在甲烷气通常被再注入到油气井以保持井压力的应用中，压缩残余流151可以证明是有利的。例如，来自管线151的增压氮气可以改为注入油气井中，以及任何残留甲烷气体可以被出售，或以其他方式用作相关应用中的燃料，例如提供管线112中的燃料。
[0085]燃烧室110中的燃烧可以在化学计量的或非化学计量的条件下发生。在一些实施方式中，化学计量的或基本上化学计量的燃烧条件是可以期望的。例如，如本文所述的EGR系统124，尤其是添加了升压压缩机142，可以被实施以实现动力产生系统100的废气中的CO2的更高浓度，从而允许更有效的CO2分离用于随后的埋存、压力保持或EOR应用。在本文公开的某些实施方式中，废气流中的CO2的浓度可以被有效增加到大约10vol%或更高。为了实现该目标，燃烧室110可适于化学计量地燃烧管线112中的燃料和管线114中压缩的氧化剂的进入混合物。为了调节化学计量燃烧的温度，以满足膨胀器106入口温度和组分冷却要求，一部分压 缩的再循环流144可被同时注入燃烧室110作为稀释剂。因此，本公开的实施方式可减少或基本上消除来自废气的任何过量的氧，同时增加其CO2组分。如此，管线122中的气态废气可具有小于大约3.0vo 1%的氧，或小于大约1.0vo 1%的氧，或小于大约
0.lvol%的氧，或甚至小于大约0.001vol%的氧。
[0086]现参考图2，描绘的是可以采用如本文所述的碳酸钾(K2CO3)溶剂技术的CO2分离系统200。如本文参考图1大体描述的，CO2分离系统200可以是或形成CO2分离器148的至少一部分。在一个或多个实施方式中，系统200可以配置为在大约800° F的温度和大约270psia到大约280psia的压力下接收从压缩的再循环流144 (图1)流出的净化流146。
[0087]主要包含氮、CO2和过量燃烧水的净化流146可以在热交换器202中被冷却，从而在管线204中生成冷却的净化流。在一个实施方式中，热交换器202可以生成蒸汽，在某些情况下，该蒸汽可以与来自HRSG126 (图1)的蒸汽流130结合。从CO2分离系统200中的净化流146提取CO2在或接近净化流146的高压下生成富氮残余流151。在至少一个实施方式中，热交换器202可以是交叉热交换器，其被流体连接至残余流151，并且其被配置用于提取与冷却净化流146相关的热能，以便重新加热残余流151。一旦重新加热，残余流151可随后被膨胀以产生机械动力，如以上大体描述的。
[0088]管线204中冷却的净化流可被引导至吸收塔206，在此使来自管线208的溶剂流通，并且残余流151同时在顶部排出，用于进一步下游处理。在一个或多个实施方式中，溶剂是K2CO3的基于水的盐溶液。当与竞争的溶剂诸如MEA相比时，K2CO3溶剂是非常耐受温度的。结果，如需要的，可将净化流146的冷却最小化，并且可允许更高温度的净化流146进入吸收塔206，而不引起热分解的担心。因此，可更改净化流146的冷却程度以符合工艺热要求，而不是冷却以避免热分解。
[0089]作为通过碳酸钾溶剂在吸收塔206中吸收CO2的结果，富碳酸氢盐溶剂可以经管线210从吸收塔206的底部排出并且被引导至再生塔212。在一个实施方式中，位于管线210中的第一或中间阀门214可被配置用于在碳酸氢盐溶剂引入再生塔212之前闪蒸碳酸氢盐溶剂至较低的接近大气的压力。在至少一种实施方式中，第一阀门214可为液压涡轮，其被配置用于产生额外的动力。
[0090]再生塔212可以配置为使用在其中流通的蒸汽以煮沸碳酸氢盐溶剂，并且逆转在吸收塔206中发生的反应，从而产生适合经过以下管线216再流通的再生的、贫碳酸钾溶剂。在至少一个实施方式中，管线泵218或类似设备可经管线220驱动至少一部分贫碳酸钾溶剂返回吸收塔206。
[0091]管线220中的贫碳酸钾溶剂可随后被任选地引导通过第一冷却单元222。在一种或多种实施方式中，第一冷却单兀222可为例如空气冷却器或散热器型热交换器,其被配置用于降低溶剂的温度。
[0092]为了产生在再生塔212中流通的蒸汽和保持再生需要的热，管线216中的至少一部分贫碳酸钾溶剂可经管线217被引导至再沸器219。再沸器219可被配置用于升高管线217中的贫碳酸钾溶剂的温度，并使加热的再生的碳酸钾溶剂经管线221返回再生塔。在至少一种实施方式中，再沸器219可被供应来自HRSG126(图1)的热。然而，在其他实施方式中，再沸器219可以被供应来自背压式蒸汽涡轮的排放的热，或从来自冷凝式蒸汽涡轮的侧流提取而来的热。
[0093]包含在净化流146中的水可在吸收塔206中冷凝进入溶剂溶液，并随后在再生塔212中煮沸。因此，再生塔212可进一步经顶部管线224排出CO2蒸气和任何残余水。在至少一种实施方式中，CO2蒸气和残余水在被引入冷凝器228之前可被引导通过第二冷却单元226，诸如空气冷却器或散热器型热交换器。冷凝器228可被配置用于将残余水与任何回收的CO2分离并且引导分离的水进入下面的管线230，同时供应回收的CO2从顶部进入管线150。如可理解的，管线150可为与以上参考图1描述的相同的管线150。在至少一种实施方式中，管线150中分离的CO2可随后被压缩用于应用，诸如CO2埋存、提高采收率法采油、CO2出售、碳捕获和/或其组合。
[0094]在一个实施方式中，管线230中至少一部分分离的水可利用泵232经管线234再流通返回再生塔212中，以允许保持系统中的水平衡。水经流204不断地被引入溶剂，并随后经管线236，150和151去除。为了保持溶剂状态和浓度，水必须在系统200内保持平衡。因此，在管线234中再流通的水可允许水返回，以便管线221中产生的蒸汽可独立于该水平衡而受到控制。在其他实施方式中，管线230中一部分残余水可经管线236被处理为新鲜工艺用水。例如，管线236中的水可用于灌溉水，被处理用于锅炉给水，和/或其他工艺用水。
[0095]现参考图3，描绘的是根据本发明的CO2分离系统300的例证性实施方式，其在一些方面类似于图2的系统200，但是合并了汽提段以在再生溶剂之前从富碳酸氢盐溶液去除挥发物。因此，将不详细描述整个系统300，但是可以参考图2最好地进行理解。如图3的系统300中描绘的，经过流210从吸收塔206的底部排放的富碳酸氢盐溶剂可以被引导至汽提段310，其中挥发性组分可以使用蒸气流312从富碳酸氢盐溶剂进行汽提。蒸气流312包括优选清洁蒸气，其可以是配置为去除挥发性组分的不与CO2相互作用的任何蒸汽。在一些实施方式中，蒸气流312可以包括氮气、氩气、蒸汽或其组合。在一个或多个实施方式中(未示出)，汽提段310可以被合并为在吸收塔206的底部处的附加级。在其他实施方式中，汽提段310可以是与如图3中所示的吸收塔分开的塔。在一个或多个实施方式中，汽提段310在类似于冷却的净化流204的高压下操作。
[0096] 汽提段310生成第一或塔顶流314和第二流316，第一或塔顶流314包括汽提蒸气和从富碳酸氢盐溶液汽提的挥发性组分，第二流316包括汽提的碳酸氢盐溶剂溶液。塔顶流314被再流通到吸收塔206，而管线316中的碳酸氢盐溶剂溶液被引导至再生塔212。管线316可以包括被布置在其中的阀门318，其配置为在将碳酸氢盐溶剂引导至再生塔212之前，将碳酸氢盐溶剂闪蒸至较低的、接近大气压的压力。在至少一个实施方式中，第一阀门318可以是配置为生成额外动力的水轮机。然后，可以如上所述参考系统200发生完整的溶剂再生。
[0097]现参考图4，描绘的是根据本发明的CO2分离系统400的例证性实施方式，其在一些方面类似于图2的系统200，但是合并了初步闪蒸至中等压力以在溶剂再生之前从富碳酸氢盐溶液去除挥发物。因此，将不详细描述整个系统400，但是可以参考图2最好地进行理解。如图4的系统400中描绘的，富碳酸氢盐溶剂可以经过管线210从吸收塔206的底部排放，并且在被引入闪蒸容器410之前，经过第一阀门408降低压力。在一个或多个实施方式中，第一阀门408可以配置为将碳酸氢盐溶剂的压力从在或接近冷却的净化流204的压力降低到足以从碳酸氢盐溶剂释放挥发性组分比如N2、02、Ar和CO，而同时将CO2保持在溶液的液相中的中等压力。然后，离开第一阀门408的产生的降低压力的双相溶剂溶液可以被引导至闪蒸容器410，在此进行相分离。包括先前描述的挥发性组分的降低压力的溶剂溶液的气相通过挥发性流412被从闪蒸容器410去除，而降低压力的溶剂溶液的液相通过管线414被从闪蒸容器去除，并被引导至再生塔212。
[0098]在一个或多个实施方式中，挥发性流412可以被再循环到废气再流通系统124 (图1)。例如，如图5的系统500中图解的，在冷却的再循环气体140被引导至主压缩机104之前，挥发性流412可以被再循环和添加到冷却的再循环气体140中。
[0099]再次参考图4的系统400，管线414中的降低压力的溶剂溶液可以在被引导至再生塔212之前使用第二阀门416被闪蒸至较低的、接近大气压的压力。然后，可以如上所述参考系统200发生完整的溶剂再生。
[0100]源自图3和图4的分离系统300和400的至少一个好处是从再生塔212生产纯的或几乎纯的CO2流的能力。存在于管线210中的CO2流中的污染物可以包括水和溶解至流通的溶剂中的挥发性气体(如上所述)。由于图3和图4的系统适于基本上去除所有的挥发性气体同时将CO2保持在溶液中，再生塔212塔顶流224基本上仅剩下高纯度CO2和水。在一个或多个实施方式中，管线150中一部分CO2可任选地被引导至净化管线(未示出)，并被捕获用于非EOR用途，比如化学原料、食品生产等。
[0101]已经使用一组数值的上限和一组数值的下限对某些实施方式和特征进行了描述。应当明白，除非另外指出，从任何下限到任何上限的范围都是可以考虑的。所有数值被认为“大约”或“约”是所陈述的值。而且，本申请所引用的所有专利和其他文献通过引用在这些公开没有与本申请不一致 并且这样的合并为法律所允许的程度上全文并入。
[0102]尽管本公开可易于多种更改和可选形式，但以上讨论的示例性实施方式已经仅以实施方式的方式显示。然而，应当再次理解本公开不意欲限于本文公开的特定实施方式。的确，本公开包含所有落入所附权利要求的真实精神和范围内的可选方案、更改和等价物。
【权利要求】
1.综合的动力产生系统，其包括: 包括燃烧室的燃气涡轮系统，所述燃烧室配置为在压缩的再循环流的存在下燃烧压缩的氧化剂和燃料，以生成在膨胀器中膨胀的排放流，从而生成气态排放流； 废气再流通系统，其包括升压压缩机以及一个或多个流体连接至所述升压压缩机的冷却单元，所述升压压缩机配置为接收和增加所述气态排放流的压力，以及所述一个或多个冷却单元配置为冷却所述气态排放流并且向主压缩机提供冷却的再循环气体，其中所述主压缩机压缩所述冷却的再循环气体并且生成所述压缩的再循环流； 流体连接至所述压缩的再循环流的净化流，所述净化流具有配置为降低所述净化流的温度并且生成冷却的净化流的热交换器；以及 流体连接至所述热交换器的CO2分离系统，所述CO2分离系统包括: 吸收塔，其配置为接收所述冷却的净化流并且用碳酸钾溶剂从所述冷却的净化流吸收CO2,以生成富氮残余流和碳酸氢盐溶剂溶液； 溶剂汽提段，其配置为接收所述碳酸氢盐溶剂溶液，并且用汽提蒸气从所述碳酸氢盐溶剂溶液汽提挥发性组分；以及 流体连接至所述汽提段的再生塔，所述再生塔配置为接收并且煮沸所述碳酸氢盐溶剂溶液，以从其中去除CO2和水，产生被再循环至所述吸收塔的再生的碳酸钾溶剂。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述溶剂汽提段被合并为所述吸收塔中的附加级。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述溶剂汽提段是与所述吸收塔分开的塔，配置为生成第一流和第二流，所述第一流包括所述汽提蒸气和从所述碳酸氢盐溶剂溶液汽提的所述挥发性组分，所述第二流包括所述碳酸氢盐溶剂溶液。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述汽提蒸气包括氮气、氩气、蒸汽或其组合。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括流体连接至所述溶剂汽提段的第一阀门，并且所述第一阀门配置为在所述碳酸氢盐溶剂溶液进入所述再生塔之前，将所述碳酸氢盐溶剂溶液闪蒸至接近大气压。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一阀门是配置为生成动力的水轮机。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括流体连接至所述再生塔的再沸器，并且所述再沸器配置为接收和加热所述再生的碳酸钾溶剂的一部分并且产生加热的再生的碳酸钾溶剂。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述再沸器配置为将所述加热的再生的碳酸钾溶剂再循环至所述再生塔以产生蒸汽。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括流体连接至所述再生塔的冷凝器，所述冷凝器配置为接收从所述碳酸氢盐溶剂溶液去除的CO2和水，并且分离所述水与所述co2。
10.根据权利要求9所述的系统，其中与所述CO2分离的所述水的一部分被泵送返回至所述再生塔以生成蒸汽。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃烧室配置为在所述压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧所述压缩的氧化剂和所述燃料。
12.根据权利要求 1所述的系统，其中所述压缩的再循环流用作配置为调节所述排放流的温度的稀释剂。
13.综合的动力产生系统，其包括: 包括燃烧室的燃气涡轮系统，所述燃烧室配置为在压缩的再循环流的存在下燃烧压缩的氧化剂和燃料，以生成在膨胀器中膨胀的排放流，从而生成气态排放流； 废气再流通系统，其包括升压压缩机以及一个或多个流体连接至所述升压压缩机的冷却单元，所述升压压缩机配置为接收和增加所述气态排放流的压力，以及所述一个或多个冷却单元配置为冷却所述气态排放流并且向主压缩机提供冷却的再循环气体，其中所述主压缩机压缩所述冷却的再循环气体并且生成所述压缩的再循环流； 流体连接至所述压缩的再循环流的净化流，所述净化流具有配置为降低所述净化流的温度并且生成冷却的净化流的热交换器；以及 流体连接至所述热交换器的CO2分离系统，所述CO2分离系统包括: 吸收塔，其配置为接收所述冷却的净化流并且用碳酸钾溶剂从所述冷却的净化流吸收CO2,以生成富氮残余流和碳酸氢盐溶剂溶液； 流体连接至所述吸收塔的第一阀门，所述第一阀门配置为将所述碳酸氢盐溶剂溶液闪蒸至足以从所述碳酸氢盐溶剂溶液分离挥发性组分的压力，从而生成双相降低压力的溶剂溶液，所述降低压力的溶剂溶液具有包括所述挥发性组分的气相和包括所述碳酸氢盐溶剂溶液的液相； 流体连接至所述第一阀门的闪蒸容器，所述闪蒸容器配置为接收所述降低压力的溶剂溶液并且从所述降低压力 的溶剂溶液的所述液相去除所述降低压力的溶剂溶液的所述气相； 流体连接至所述闪蒸容器的第二阀门，所述第二阀门配置为接收所述降低压力的溶剂溶液的所述液相，并且将所述液相闪蒸至接近大气压，从而生成接近大气压的碳酸氢盐溶剂溶液；以及 流体连接至所述第二阀门的再生塔，所述再生塔配置为接收并且煮沸所述接近大气压的碳酸氢盐溶剂溶液，以从其中去除CO2和水，产生被再循环至所述吸收塔的再生的碳酸钾溶剂。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一阀门配置为将所述碳酸氢盐溶剂溶液闪蒸至这样的压力，使得所述碳酸氢盐溶剂溶液的所述气相包括少于1.0mol%的二氧化碳。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一阀门配置为将所述碳酸氢盐溶剂溶液闪蒸至这样的压力，使得所述碳酸氢盐溶剂溶液中全部二氧化碳的至少98mol%保留在所述降低压力的溶剂溶液的所述液相中。
16.根据权利要求13所述的系统，进一步包括流体连接至所述再生塔的再沸器，并且所述再沸器配置为接收和加热所述再生的碳酸钾溶剂的一部分并且产生加热的再生的碳酸钾溶剂。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述再沸器配置为将所述加热的再生的碳酸钾溶剂再循环至所述再生塔以产生蒸汽。
18.根据权利要求13所述的系统，进一步包括流体连接至所述再生塔的冷凝器，所述冷凝器配置为接收从所述碳酸氢盐溶剂溶液去除的CO2和水，并且分离所述水与所述C02。
19.根据权利要求18所述的系统，其中与所述CO2分离的所述水的一部分被泵送返回至所述再生塔以生成蒸汽。
20.根据权利要求13所述的系统，其中从所述闪蒸容器去除的所述降低压力的溶液的所述气相的至少一部分被再循环至所述废气再流通系统。
21.根据权利要求20所述的系统，其中被再循环至所述废气再流通系统的所述降低压力的溶液的所述气相的至少一部分与提供给所述主压缩机的所述冷却的再循环气体结合。
22.根据权利要求13所述的系统，其中所述燃烧室配置为在所述压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧所述压缩的氧化剂和所述燃料。
23.根据权利要求13所述的系统，其中所述压缩的再循环流用作配置为调节所述排放流的温度的稀释剂。
24.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一阀门和所述第二阀门中的一个或两个是配置为生成动力的水轮机。
25.生成动力的方法，其包括: 在燃烧室中并且在压缩的再循环流的存在下，燃烧压缩的氧化剂和燃料，从而生成排放流，并且将所述排放流膨胀，以生成气态排放流； 增加所述气态排放流的压力并且冷却所述气态排放流，以生成被压缩以生成所述压缩的再循环流的冷却的再循环气体； 冷却流体连接至压缩的再循环流的净化流，以生成冷却的净化流； 将所述冷却的净化流引导至吸收塔，并且用碳酸钾溶剂从所述冷却的净化流吸收CO2 ； 从所述吸收塔排放富氮残余流和碳酸氢盐溶剂溶液； 用汽提蒸气从所述碳酸氢盐溶剂溶液汽提挥发性组分； 煮沸再生塔中的所述碳酸氢盐溶剂溶液，以从其中去除CO2和水，生成再生的碳酸钾溶剂；以及 将所述再生的碳酸钾溶剂再循环至所述吸收塔。
26.根据权利要求25所述的方法统，其中所述汽提蒸气包括氮气、氩气、蒸汽或其组合。
27.根据权利要求25所述的方法，进一步包括在将所述再生塔中的所述碳酸氢盐溶液煮沸之前，通过阀门将所述碳酸氢盐溶剂溶液闪蒸至接近大气压。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述阀门是配置为生成动力的水轮机。
29.根据权利要求25所述的方法，进一步包括接收从流体连接至所述再生塔的冷凝器中的所述碳酸氢盐溶剂溶液去除的CO2和水，并且分离所述水与所述C02。
30.根据权利要求29所述的方法，其中与所述CO2分离的所述水的一部分被引导至所述再生塔以生成蒸汽。
31.根据权利要求25所述的方法，其中在压缩的再循环流的存在下，在化学计量条件下燃烧所述压缩的氧化剂和所述燃料。
32.根据权利要求25所述的方法，其中所述压缩的再循环流调节所述排放流的温度。
33.生成动力的方法，其包括: 在燃烧室中并且在压缩的再循环流的存在下，燃烧压缩的氧化剂和燃料，从而生成排放流，并且将所述排放流膨胀，以生成气态排放流； 增加所述气态排放流的压力并且冷却所述气态排放流，以生成被压缩以生成所述压缩的再循环流的冷却的再循环气体； 冷却流体连接至压缩的再循环流的净化流，以生成冷却的净化流； 将所述冷却的净化流引导至吸收塔，并且用碳酸钾溶剂从所述冷却的净化流吸收CO2 ； 从所述吸收塔排放富氮残余流和碳酸氢盐溶剂溶液； 将所述碳酸氢盐溶剂溶液闪蒸至足以从所述碳酸氢盐溶剂溶液分离挥发性组分的压力，生成双相降低压力的溶剂溶液，所述降低压力的溶剂溶液具有包括所述挥发性组分的气相和包括所述碳酸氢盐溶剂溶液的液相； 分离所述降低压力的溶剂溶液的所述气相与所述降低压力的溶液的所述液相； 将所述降低压力的溶剂溶液的所述液相闪蒸至接近大气压，以生成接近大气压的溶剂溶液； 煮沸再生塔中的所述接近大气压的溶剂溶液，以从其中去除CO2和水，从而生成再生的碳酸钾溶剂；以及 将所述再生的碳酸钾溶剂再循环至所述吸收塔。
34.根据权利要求33所述的方法，其中将所述碳酸氢盐溶液闪蒸至这样的压力，使得所述降低压力的溶剂溶液的所述气相包括少于1.0mol%的二氧化碳。
35.根据权利要求34所述的方法，其中将所述碳酸氢盐溶液闪蒸至这样的压力，使得所述碳酸氢盐溶剂溶液中全部二氧化碳的至少98mol%保留在所述降低压力的溶剂溶液的所述液相中。
36.根据权利要求33所述的方法，进一步包括接收从流体连接至所述再生塔的冷凝器中的所述接近大气压的溶剂溶液去除的CO2和水，并且分离所述水与所述co2。
37.根据权利要求36所述的方法，其中与所述冷凝器中的CO2分离的所述水的一部分被引导至所述再生塔以生成蒸汽。
38.根据权利要求33所述的方法，其中所述降低压力的溶剂溶液的所述气相的至少一部分被再循环，并且与所述冷却的再循环气体结合。
39.根据权利要求33所述的方法，其中在压缩的再循环流的存在下，在化学计量条件下燃烧所述压缩的氧化剂和所述燃料。
40.根据权利要求33所述的方法，其中所述压缩的再循环流调节所述排放流的温度。
【文档编号】C01B31/20GK103917490SQ201280014463
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年3月5日 优先权日:2011年3月22日
【发明者】F·F·米特瑞克, R·A·亨廷顿, R·H·欧尔菲克 申请人:埃克森美孚上游研究公司