专利名称：：用于降低燃烧烟气中二氧化碳的方法和系统的制作方法用于降低燃烧烟气中二氧化碳的方法和系统
背景技术：
：本发明总的涉及工业燃烧系统，更特别地涉及用于从燃烧烟气中去除二氧化碳的方法和系统。在煤和/或天然气系统中在不同点会插入至少一些已知的碳分离技术。例如，从燃烧烟气中分离C02通常已知用作与后燃烧碳分离技术。已知的后燃烧碳分离技术包括以下工艺，例如但不限于物理吸收、深冷分离、固体吸收剂分离、化学循环燃烧、化学吸收和/或膜分离。一些已知的化学吸收工艺视图通过co2与单一溶剂(例如碳酸钾、氩氧化钠和基于胺的溶剂)的放热反应从烟气中去除C02。已知的基于胺的液体可以包括烷醇胺，例如二乙醇胺、三乙醇胺、活化曱基二乙醇胺和一乙醇胺(MEA)。在已知的化学吸收工艺过程中，例如将烟气和基于胺的液体(例如MEA)在吸收器(洗涤器)中逆向流动。该烟气可以在接近底端的位置进入该洗涤器，向上流动，/人接近反向顶端的位置排出。该液体可以在接近顶端的位置进入该洗涤器，向下流动，从接近底端的位置排出。通过该烟气和该MEA液体在该洗涤器中的化学反应形成富含C02的基于胺的液体。然后将该富含C02的液体引导到解吸器(汽提器)中。该汽提器加热该富含C02的液体以使该化学反应逆转，使得该吸收的C02从该液体中释放出来。然后可以将该释放的C02压缩并输送储存，该贫含C02的液体可以循环并再应用到该洗涤器中。与较大量的烟气相比，燃烧烟气流通常包含较少量的C02。已知的洗涤器通常需要设备尺寸能够处理较大量的烟气。在已知洗涤器中进行处理的过程中，烟气会分散到液体中使得在液体中形成气泡。液体的C02吸收量部分取决于总气液接触面积，其是气泡表面积的总和。该液体会吸收C02和其它杂质，例如氧硫化碳和二硫化碳。这种已知的杂质气中分离co2所i的驱;力是根据、::组分的浓度(密J)确定的。洗涤器印迹(footprint)和汽提器再生能量会增加资本成本、操作成本和能量消耗。由于已知化学吸收工艺中电能的消耗也会降低设备容量。一些已知的膜分离工艺包括选择性渗透气体的多孔膜。co2在液体中的吸收量部分取决于烟气和膜材料(例如聚酰亚胺和聚烯烃)之间的物理作用。膜材料和孔尺寸在部分程度上会影响一种烟气组分与另一种烟气组分渗透到该孔中的程度。通常使用烟气压缩来提供渗透的驱动力，因为用于从烟气中分离C02的驱动力是膜两侧的压差。因此，对于膜C02分离来讲，与已知的化学吸收工艺相比，不需要分离溶剂和汽提器。可以使用分离C02的另外加压用于C02的运输和/或储存。尽管已知的膜分离工艺通常使用较小的洗涤器尺寸，但这些已知的洗涤器与使用化学吸收方法释放的C02相比会产生减少两的分离co2。因此，可能需要在较小的洗涂器中进行多个烟气的循环和处理以实现与处理相同量的烟气的较大洗涤器相同程度的C02分离。另外的烟气处理和压缩进一步提高了能量消耗和费用。
发明内容在一方面，提供了烟气(fluegas)的处理方法。该方法包括提供具有膜接触器的吸收器单元；引导将燃烧烟气沿该膜接触器的第一表面流动；引导基于氨的(ammonia-based)液体试剂沿该膜接触器的第二相对(opposite)表面流动。该方法还包括从烟气中部分分离该基于氨的液体使得该基于氨的液体和该烟气在有该膜接触器的多个孔限定的气液界面区域上接触，以通过C02在该基于氨的液体内的化学吸收来从该烟气中分离C02从而制备富含C02的基于氨的液体。在另一方面，提供了包括吸收器单元的燃烧系统。该吸收器单元包括用于引导燃烧烟气的外壳；引导到所述外壳内的基于氨的液体试剂；和结合在所述外壳中用于将该基于氨的液体和该烟气分开的膜接触器。该膜接触器包括多个限定气液界面区域的孔，该基于氨的液体和该烟气在该气液界面区域处接触，以通过C02在该基于氨的液体中的化学吸收从该烟气中分离二氧化碳以提供富含C02的基于氨的液体。该燃烧系统还包括与该吸收器单元连接的解吸器单元，使得该解吸器单元从该富含co2的基于氨的液体中接收并释放C02。在另一方面，提供了烟气处理系统。该烟气处理系统包括用于引导燃烧烟气的外壳；引导到所述外壳内的基于氨的液体试剂；和结合在所述外壳中用于将该基于氨的液体和该烟气分开的膜接触器。该膜接触器包括多个限定气液界面区域的孔。该基于氨的液体和该烟气在该气液界面区域处接触，以通过C02在该基于氨的液体中的化学吸收从该烟气中分离二氧化碳以提供富含co2的基于氨的液体。附图简述图1是示例性的包括二氧化碳洗涤器的燃烧系统的示意图；和图2是图1中所示的示例性的C02洗涤器的示意图。发明详述此处所述的示例性的方法和系统通过将基于氨的化学吸收工艺和疏水膜接触器相结合，克服了已知后燃烧燃分离技术中的缺点。图1是示例性的燃烧系统100的示意图，该燃烧系统100包括炉子/锅炉110、非必要的污染控制装置120、C02吸收器(洗涤器)130、预加热器140、解吸器(汽提器)150和蒸汽发生器160。炉子/锅炉110用作燃烧腔，其包括燃料注入口112、空气注入口114和燃烧区116。在该示例性的实施方式中，至少一个燃料注入口112和至少一个空气注入口114与炉子/锅炉110相连，用于分别将燃料和空气注入燃烧区116中。在燃料燃烧后，在洗涤器130中进行C02分离之前，将产生的燃烧废气(也称作燃烧烟气)非必要地引导到输送气流中进入污染控制装置120(例如静电除尘器和/或过滤集尘室)中经历多种环境清除工艺。该的杂质(例如氮氧口化物(nox):、硫氧化物(so:)、飞灰、i气和/或其它颗粒物质)。然后将任何剩余的烟气引导到洗涤器130中。洗涤器130通过使用基于氨的液体处理该烟气，以便于从烟气中分离co2(后面将会详细描述)。在烟气处理之后，非必要地将不含C02的烟气排到环境空气中，将富含C02的基于氨的液体溶液引导到预加热器140中。然后将该富含C02的基于氨的液体引导到汽提器150中。汽提器150降低该富含C02的液体的压力和/或提高其温度，以便于从该液体中释放C02。在该示例性的实施方式中，蒸汽发生器160产生蒸汽用于通过加热该富含co2的液体逆转该化学反应以便于从该液体中再生该co2。然后将该释放的C02压缩和/或千燥用于储存和/或输送。然后将该不含C02的基于氨的液体再循环并引导到洗涤器130中用于后面的烟气处理。图2是洗涤器130(图1中所示)的示意图。在该示例性的实施方式中，洗涤器130操作以将膜分离和基于氨的化学吸收技术相结合用于从烟气中捕获C02。洗涤器130包括由疏水材料(例如聚四氟乙烯(PTEE),包括膨体(expanded)聚四氟乙烯(ePTEE))制备的气液膜接触器170。各膜接触器170包括表面172、相对表面174和延伸通过膜接触器170并在处理过程中接收烟气的微孔178。应当认识到膜接触器170可以构造为以管壳排列、螺旋缠绕模件和/或其它已知构造包装的惰性中空纤维、基本平坦的片材和/或任何已知的形状。因为在该示例性的实施方式中膜接触器170紧密包装作为中空纤维和/或片莫件单元，因此膜接触器170与已知的仅实施化学吸收工艺的洗涤器相比每单位体积提供了更大的气液接触面积。因此，较小印迹(footprint)的洗涤器130可以定制和/或改进到已知的工业燃烧系统中。而且，PTEE膜接触器170提高了气流和液流之间的表面接触，使得比传统吸收塔构造的吸收更有效。在该示例性的实施方式中，与选择性便于烟气组分流动的已知多孔分离膜相比，膜接触器170便于将烟气组分176的非选择性流入此处所限定的微孔178中。因为膜接触器170是疏水的，因此膜接触器170便于防止对流液流通过膜接触器170。在这种疏水和微孔材料特征的基础上，膜接触器170便于在不将一相分散到另一相中的情况下使烟气组分176和基于氨的液体接触。因为膜接触器170用作气汽相和液相之间的气体可渗透阻挡层，因此与已知的多孔分离膜相比，膜接触器170实际上并不从烟气中分离C02。相反，基于氨的液体182提供了示例性的混合过程C02分离选择性。在该示例性的实施方式中，膜接触器170用作烟气176和基于氨的液体182之间的接触介质，便于在化学吸收工艺的基础上从烟气176中分离C02。换言之，C02在洗涤器130中的分离是由烟气176和基于氨的液体分离剂在洗涤器130中的反应决定的，此处对其进行更详细的描述。在该示例性的实施方式中，烟气176和基于氨的液体182的接触面积是在洗涤器中提供的所有膜接触器170的所有气液界面区域180的面积之和。膜接触器170和/或微孔178的组装密度与使用已知化学吸收工艺通过气体分散产生的总气泡表面积相比提供了更大的总气液表面积接触。因此，膜接触器170与已知化学吸收工艺相比便于提高C02吸收效率。在该示例性的实施方式中，膜接触器170是由疏水材料(例如PTEE)制成的。特別地，膜接触器是由膨体聚四氟乙烯(ePTEE)制成的。膨体聚四氟乙烯具有约10-约100m々gr的表面积和约90%~约95%的孔隙体积(voidvolume)。膨体聚四氟乙烯的表面积和孔隙含量使烟气176与基于氨的液体182接触。该PTEE材料适用于关于该示例性的实施方式讨论的烟气处理操作。例如，烟气176通常具有可以忽略量的烃和大量的C02。而且，在洗涤器130中的烟气处理操作中，烟气176通常在约50°C~约IO(TC(在一些实施方式中约5(TC约80°C)以及其间的子范围下进行处理，因为基于氨的液体182在环境条件下(例如约50°C)吸收来自烟气176的C02，因此与视图使用其它液体分离剂从烟气中分离C02的已知系统相比不需要对C02和/或基于氨的液体182预加热。因此，基于氨的液体182便于降低与使用其它液体分离剂的C02吸收相关的操作费用。因为PTEE通常对烟气组分是惰性的，因此膜接触器由PTEE和/或其它同样对烟气176为惰性的材料制成。由于PTEE材料，因此与已知的海上石油钻探和/或脱硫(sweeten)操作相比，膜接触器170在烟气处理操作下不会弯曲，而且，PTEE便于控制微孔178的尺寸以控制气液接触面积用于提高C02吸收效率。在该示例性的实施方式中，与已知的化学吸收工艺相比，基于氨的液体182也便于提高C02吸收效率。与其他类型的已知液体分离剂(例如基于胺的液体)相比，基于氨的液体182具有较高的反应能和吸收容量。由于使用氨作为液体分离剂，因此与其他类型的已知液体分离剂(例如基于胺的液体)相比，基于氨的液体182便于降低能够吸收几乎等量的C02的液体量。因为C02吸收需要较少的基于氨的液体182,因此与试图从其它液体分离剂中再生C02的已知系统相比，从基于氨的液体182中再生C02所需的热量/蒸汽也更少。因此，便于降低与再生有关的费用。在该示例性的实施方式中的烟气处理过程中，将烟气176和基于氨的液体182引导到洗涤器130内提供的膜接触器170的相对侧。尽管烟气176和基于氨的液体182作为逆流示出，但应当认识到烟气176和基于氨的液体182可以以相同方向并流。如上所述，通过在化学吸收工艺中使用基于氨的液体使C02扩散通过气液界面区域180发生从烟气176中的C02质量传递，此处将对其进行详细讨论。在该示例性的实施方式中，通过降低与基于氨的液体182接触的烟气部分的压力在洗涤器130中应用分压梯度将C02质量通过从气相到液相的扩散进行传递。应当认识到真空、惰性气体和/或其它驱动力可以产生C02质量传递所需的驱动力。通过控制烟气176和基于氨的液体182之间的压差，将烟气176的一部分固定在膜接触器170的微孔178中使得各气液界面区域180位于各微孔178的口部。因为膜接触器170用作烟气176和基于氨的液体182之间的分隔物，因此流速的变化不会干扰气液接触面积。由于膜接触器170和压力控制，因此与在已知洗涂器系统中所用的气体和液体的流速相比，洗涂器130便于对烟气176和基于氨的液体182在更宽范围的独立流速下进行传递。膜接触器170和压力控制还便于降低基于氨的液体182进入微孔178的溢流、沟道效应和/或返混。因此，与已知的洗涤器系统相比，洗涤器130可以容忍烟气处理条件更宽范围的变化。通过降低烟气176中潜在的氨降解杂质在基于氨的液体182中的分散，膜接触器170还便于降低起泡和/或溶剂降解。因为用于C02从烟气176中的分离的驱动力是压力梯度，因此不需要气体和液体组分之间的密度差。因此，与已知的多孔分离膜相比，膜接触器170不需要对CO2从烟气176中分离的选择性。在该示例性的实施方式中，洗涤器130包括膜接触器170和基于氨的液体的结合，以便于从烟气176中分离C02。因为洗涤器130包括膜接触器170,因此与已知的试图仅通过其中的已知化学吸收工艺分离C02的洗涤器系统相比，提高了气液表面接触面积。因此，与已知的洗涤器系统相比，膜接触器170可以紧密包装成捆状物和/或模件以便于降低洗涤器尺寸。因为膜接触器170是由微孔疏水材料(例如PTEE)制成的，因此在烟气处理中膜接触器170用作惰性材料隔离物。因为基于氨的液体182用作液体分离剂，因此用于给定量的C02的化学吸收的液体量小于其它液体分离剂所需的量。因此，与已知洗涤器系统的尺寸相比，氨的使用便于降低洗涤器尺寸。而且，与从其它液体分离剂中再生C02相比，基于氨的液体的使用便于降低用于在汽提器150中用于释放C02所需的再生能量的量。总的来讲，洗涤器130便于降低用于分离、吸收和释放C02以降低其排放的设备尺寸和/或与烟气处理相关的资本成本o上面详细描述了洗涤器的示例性实施方式。该洗涤器并不限于和此处所述的特定燃烧系统一起使用，相反，该燃烧器可以单独使用或与此处所述的其它燃烧系统组件分开使用。尽管上面描述了关于煤或天然气装置的示例性方法和系统，但应当认识到该示例性的洗涤器系统和方法也可用于其它燃烧系统，例如但不局限于燃烧发动机。而且，本发明并不限定到上面详细描述的燃烧器的实施方式。相反，在权利要求的精神和范围内，洗涤器实施方式的其它变体也可以使用。尽管使用各种特定的实施方式对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将认识到可以使用在权利要求的精神和范围内的改进来实施本发明。部件列表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1.燃烧系统(100)，包括吸收器单元(130)包括用于引导燃烧烟气的外壳；引导到所述外壳内的基于氨的液体试剂；结合在所述外壳中用于将所述基于氨的液体(182)和该烟气分开的膜接触器(170)，所述膜接触器包括多个限定气液界面区域(180)的孔(178)，所述基于氨的液体和该烟气在所述气液界面区域处接触，以通过CO2在所述基于氨的液体中的化学吸收从该烟气中分离二氧化碳以提供富含CO2的基于氨的液体；和与所述吸收器单元连接的解吸器单元(150)，其中所述解吸器单元从该富含CO2的基于氨的液体中接收并释放CO2。2.依照权利要求1的燃烧系统(100),其中所述膜接触器包括疏水材料。3.依照权利要求1的燃烧系统(100)，其中所述膜接触器(170)包括膨体聚四氟乙烯材料。4.依照权利要求1的燃烧系统(100),其中所述膜接触器(170)包括多个中空纤维。5.依照权利要求4的燃烧系统(100),其中所述多个中空纤维以管壳排列方式装配。6.依照权利要求1的燃烧系统(100),其中所述膜接触器(170)包括基本平坦的片材。7.依照权利要求6的燃烧系统(100),其中所述基本平坦的片材作为螺旋巻绕模件进行装配。8.烟气处理系统，包括用于引导燃烧烟气的外壳；引导到所述外壳内的基于氨的液体试剂；结合在所述外壳中用于将所述基于氨的液体(182)和该烟气分开的膜接触器(170),所述膜接触器包括多个限定气液界面区域(180)的孔(178),所述基于氨的液体和该烟气在所述气液界面区域处接触，以通过C02在所述基于氨的液体中的化学吸收来从该烟气中分离二氧化碳从而提供富含co2的基于氨的液体。9.依照权利要求8的烟气处理系统，其中所述膜接触器(170)包括疏水材料。10.依照权利要求8的烟气处理系统，其中所述膜接触器(170)包括膨体聚四氟乙烯材料。全文摘要本发明涉及用于降低燃烧烟气中二氧化碳的方法和系统，其中提供了燃烧系统(100)。该燃烧系统(100)包括吸收器单元(130)和与所述吸收器单元连接的解吸器单元(150)，该吸收器单元(130)包括用于引导燃烧烟气的外壳，引导到所述外壳内的基于氨的液体试剂，结合在所述外壳中用于将所述基于氨的液体(182)和该烟气分开的膜接触器(170)，该膜接触器包括多个限定气液界面区域(180)的孔(178)，该基于氨的液体和该烟气在所述气液界面区域处接触，以通过CO<sub>2</sub>在所述基于氨的液体中的化学吸收从该烟气中分离二氧化碳以提供富含CO<sub>2</sub>的基于氨的液体，其中该解吸器单元(150)从该富含CO<sub>2</sub>的基于氨的液体中接收并释放CO<sub>2</sub>。文档编号F23J15/02GK101301562SQ20081009629公开日2008年11月12日申请日期2008年5月8日优先权日2007年5月8日发明者A·斯米蒂斯,J·L·莫莱森申请人:通用电气公司