用于处理烟道气的系统和方法

专利名称：用于处理烟道气的系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及用于从输入气流中除去CO2的系统和方法。
背景技术：
需要这样的方法，其可以从由例如发电厂、水泥厂和钢铁厂产生的烟道或燃料气 中捕获CO2,以缓和由于来自上述设施的CO2排放所造成的全球变暖。从在工业生产过程中 产生的气体如烟道气中分离0)2是碳捕获和隔离(CCS)方法中的第一步骤，其中分离0)2，压 缩成高密度流体，运送并隔离(sequester)在深部的盐水含水层、枯竭的石油和天然气田、 深部煤层、或深海储层(reservoir)中。由于与放出CO2的工业基础设施有关的非常大的投资，所以优选的是，可以改进分 离过程以捕获从上述现有基础设施排出的烟道气，一种称作燃烧后捕集(PCC)的方法。现 有的许多化学和物理方法用来从烟道或燃料气中分离CO2，但广泛采用任何上述方法的障 碍是技术、经济以及环境障碍。对于发电厂，可行的PCC CCS方法通常预期要满足以下规 范· CO2分离(包括压缩成高密度流体)的成本，少于US$20/吨；以及·从烟道气捕获CO2的效率超过90 % ；以及·电力生产效率(电力输出与燃料的低热值)降低不小于5% ；以及·没有另外的环境危害。目前并没有可以满足所有这些规范的CCS方法。已认识到，分离成本是所有CCS 方法步骤中的最高成本。开发了一种基于胺的技术(称作MEA)，用来从气体中分离C02，以 提高石油和天然气回收。然而，即使可以克服所面临的其它技术经济障碍，通常胺，以及氨， 会产生有毒废料，而且较大的环境影响可以使得基于胺和氨的方法可能对于大规模CCS是 不可接受的除PCC以外，在工业过程中可以除去CO2作为纯CO2气流。例如，化石燃料和纯氧 气的燃烧导致对于CCS来说基本上为纯CO2的气体。然而，从空气中分离氧气的成本是昂贵 的，其不能满足用于CO2分离成本的规范。在另一种方式中，在气化器中用蒸汽处理化石燃 料以产生包含氢气、CO2和CO的燃料气，然后通过水-气变换反应器将CO转化成co2。从氢 气中分离co2。胺途径可以用来从这些燃料气流以及其它溶剂如醇中净化(洗出)co2。在 这些净化方法的使用中，存在能量损失、以及对环境的影响。此外，可以派生出用于在更高 温度下从燃料气流中除去CO2的CCS方法。一种用于CCS分离技术的有前途的方式是钙可再生吸附剂(CRS)方法，其还称 作 CaO 循环。Heesink 等(Α· B. M. Heesink and H. Μ. G. Temmink/r Process for removing carbon dioxide regeneratively from gasstreams" US Patent 5，520，84)在 1994 年首 次描述了这种方法，用于从烟道气和燃料气流中除去co2。他们描述的系统涉及碳化器，其 中吸附剂CaO或MgO. CaO，和气流中的CO2反应，以产生CaCO3或MgO-CaCO3。它还描述了反 应的吸附剂转移到第二反应器，煅烧炉，其中CO2作为纯气流被释放并且吸附剂被再生，然后循环回到碳化器。驱动此过程的能量被施加于煅烧炉并通过热交换器(其中它可以用来 产生能量)从碳化器释放。Shimizu 等(T. Shimizu, T. Hirama, H. Hosoda, K. Kitano, “ A twin bedreactor for removal of CO2 from combustion processes“ ， Trans I ChemE, 77A, 1999)提出，在600°C下的CaO碳酸化可以用来从烟道气中捕获(X)2以产生CaCO3，以及 通过和CaCO3 —起燃烧燃料，类似于常规煅烧，但使用来自分离工厂的纯氧气，则可以发生 在950°C以上的CaO再生/煅烧，以致产生纯(X)2和蒸汽作为输出。石灰石，CaCO3,用作原 料。MacKenzie 等已进一步研究了 CRS 方法(A. MacKenzie, D. L. Granatstein, E.J.Anthony and J. C. Abanades,“ Economics of CO2Capture using the Calcium Cycle with a Pressurized Fluidized BedCombustor〃 Energy Fuels 2007,21(2),920-926.)。 他们证明了，上述系统能够满足以上陈述的CCS的规范。然而，驱动煅烧系统所需要的热能 要求含氧燃料工厂消耗约2/3的发电厂所使用的燃料。在煅烧炉的温度高于碳化器的温度 的系统中，如在上述现有技术中所描述的，由烧结引起的吸附剂效率的损失需要通过反应 器的更高流量的吸附剂、更高的能源需求、以及更大的工厂。Abanades Garcia 等(Abanades Garcia，J Carlos and J. Oakey ； “ Combustion method with integrated CO2 separation by means ofcarbonation"，美国专利公幵号 20050060985)描述了一种CRS方法，其中将提取自燃烧室(作为另外的装置)的热能提 供到碳化器和煅烧炉。他们要求保护基于流体循环流化床反应器、拖曳床反应器(drawn bedreactor)、或旋流反应器的系统。他们的专利披露了，来自燃烧反应器的传热可以提供 热量来驱动煅烧炉，以及在煅烧炉的操作中使用部分真空或蒸汽。他们明确规定了煅烧温 度为900°C、碳酸化温度为600-750°C、以及燃烧室的操作温度超过煅烧炉的操作温度。Albanades 等(〃 Capturing CO2 from combustive gases with acarbonation calcination loop.Experimental results in a 30kff testfacility" , 2a Reunion de Seccion Espagnol del lnstituto deCombustion, 8-9May, 2008) 了—禾中胃■， 过在燃烧室、煅烧炉、以及碳化器之间CaO吸附剂的循环，可以促进来自燃烧室反应器的传 热，此外，上述燃烧室、煅烧炉、以及碳化器被构造成使得其中燃烧室温度高于煅烧炉温度， 其本身又高于碳化器温度。这减小了对通过反应器壁传热的要求，通过反应器壁传热的要 求在实际上可能难以实现。然而，在燃烧室中的高温导致另外高度的吸附剂烧结，其进一步 降低了吸附剂捕获CO2的效率。上述参照方案的特点在于，热量从热煅烧炉流动到较冷的碳化器，因而CCS工厂 的能量负荷必定会较大，这是因为煅烧焓是燃烧热/摩尔CO2的较大部分。此外，如上所述， 由于吸附剂烧结严重降低吸附剂捕获CO2的效率。可以用新鲜石灰石来补充吸附剂，但这 引入由石灰石煅烧成吸附剂的另一个能量损失。因而CCS规范的满足通常仅通过使用大量 的由碳化器产生的热量来驱动涡轮机发电。实际上，这种CRS方法通常必须结合到发电厂 发电系统中以满足上述规范，但即使如此，工厂的大小和成本也是显著的。从工厂燃烧室抽 出热量会抽出能量，否则其将用来发电，并且在碳酸化器的更低温度下释放热量。即使热量 被转化为电力，但仍然会降低工厂发电的效率。在上述现有技术中石灰石可以用作原料。使用石灰石作为原料来产生石灰吸附剂 的优点在于，石灰石已经在发电厂中用于烟道气脱硫(FGD)，并且来自0)2分离系统的所使
5用过的吸附剂可以用于F⑶。因此，可以不需要开采另外的石灰石并且来自F⑶的(工业) 废品是石膏，在发电厂的环境和经济影响中已经考虑到它。因此，当CRS结合于FGD时，就 CRS方法的输入和输出而言，可以满足“没有另外的环境危害”的CCS规范。然而，如果吸附 剂烧结并且必须通过注入新鲜石灰石来更新，则此优点可能会失去，因为CRS对石灰石的 消耗超过FGD对石灰的需要。在这些金属氧化物循环体系中。可以使用不同于CaO的吸附 剂,如 MgO、K2O 和 Na2O 以及 MgO. CaO。因此，基于CRS的现有CCS系统可以满足CCS的技术经济及环境规范，但特点在 于，要求高通量的能量来分离co2。为了满足CCS规范，上述系统必须燃烧大量燃料，例如在 与发电厂的燃烧室分开的燃烧室中，或从(发电)厂的燃烧系统抽取热量。这会增加CCS 系统的资本成本和覆盖区或降低发电厂的效率并且产生的CO2导致所避免的净CO2的减少。 这种影响适用于其它碳捕获技术，其依赖于具有高(X)2结合能的吸附剂。因此需要提供用于从气流中除去(X)2的系统和方法，其寻求解决至少上述问题之

发明内容
本发明的一个目的是基本上克服、或至少改善现行方案(arrangement，布置)的 一个或多个缺点。根据本发明的第一方面，提供了一种用于从输入气流中除去CO2的系统，该系统 包括碳化器部分(segment)，其构造成使得固体吸附剂在其中与输入气流反应以从输入 气流中除去(X)2 ；煅烧炉部分，其构造成使得来自碳化器部分的固体吸附剂在其中反应以将 CO2释放成为基本上纯的气流；热交换器单元，用于在碳化器和煅烧炉部分之间交换热量； 第一调节单元(unit)，用于控制在碳化器部分中的CO2分压；以及第二调节单元，用于控制 在煅烧炉部分中的CO2分压；其中第一和第二调节单元被构造成使得分别在碳化器和煅烧 炉部分中的(X)2分压之间的差得到控制，从而通过热交换单元将来自碳化器的热量提供到 煅烧炉。第一调节单元可以包括加压元件和第一加热器元件，第一加热器元件被构造成使 得进入碳化器的输入气流的输入温度得到控制，从而碳化器部分在比煅烧炉部分更高的温 度下进行操作，进而通过热交换器，在碳化器部分中通过吸附化学反应放出的热量被提供 到煅烧炉部分，用于解吸(脱附)化学反应的消耗。固体吸附剂可以包括石灰。输入气流可以包含来自燃烧室的加压废气。输入气流可以包含来自气化器的加压废气。燃烧室或气化器可以作为第一调节单元的至少一部分。热交换单元可以包括碳化器和煅烧炉部分的各自壁之间的热耦合(thermal coupling)ο热交换单元包括输送元件，用于在第一温度下将吸附剂从碳化器部分输送到煅烧 炉部分，以及用于在低于第一温度的第二温度下将吸附剂从煅烧炉部分输送到碳化器部 分。第二调节单元可以包括机械泵。
第二调节单元可以包括在煅烧炉中的蒸汽喷射器以及在煅烧炉排气装置 (exhaust)以后的蒸汽冷凝器。第二调节单元可以包括第二加热器元件，用于控制在煅烧炉部分中的温度。该系统可以进一步包括连接(couple，耦合)于碳化器部分的净化的(洗涤过的， scrubbed)烟道气排气的扩展单元，用于对净化的烟道气进行减压。可以将扩展器(扩展单元)连接(耦合)于第二调节单元，用于将来自减压的回 收能量提供到第二调节单元。可以将扩展器连接(耦合)于用于压缩(X)2的压缩机组(compressortrain)。热交换单元可以包括气体切换机构，以致，在第一切换构造中，烟道气经过在系统 的第一区域(作为碳化器部分)中的固体吸附剂的第一部分，而固体吸附剂的第二部分与 系统的第二区域(作为煅烧炉部分)中的烟道气分离，以及以致，在第二切换构造中，烟道 气经过在第二区域(作为煅烧炉部分)中的固体吸附剂的第二部分，而固体吸附剂的第二 部分与第一区域(作为碳化器部分)中的烟道气分离。根据本发明的第二方面，提供了用于从输入气流中除去(X)2的方法，该方法包括以 下步骤使固体吸附剂与输入气流反应以在碳化器中从输入气流中除去(X)2 ；在煅烧炉中反 应来自碳化器的固体吸附剂以将CO2释放到基本上纯的气流中；在碳化器和煅烧炉之间交 换热量；以及控制在碳化器中的(X)2分压和在煅烧炉中的(X)2分压，以致分别在碳化器和煅 烧炉中的(X)2分压之间的差得到控制，从而将热量从碳化器提供到煅烧炉。


根据以下书面描述(仅通过举例说明而已)并参照附图，本领域技术人员可以更 好地理解本发明的实施方式(其是容易明白的)，其中图1是示意图，其示出根据一种示例性实施方式的用于CRS处理的工艺流程和反 应器系统。图2是示意图，其示出根据一种示例性实施方式用于CRS处理的反应器。图3是示意图，其示出根据一种示例性实施方式用于CRS处理的反应器。
具体实施例方式针对从气流，如烟道气或燃料气中，分离二氧化碳(CO2)所描述的示例性系统和方 法实施方式使用了固体吸附剂如石灰的颗粒。该系统包括碳化器反应器部分，该部分带有 吸附剂，其从气流中提取(X)2 ；煅烧炉反应器部分，其将CO2释放到纯的气流中(成为纯的气 流)并再生吸附剂；以及允许热量在它们之间流动的装置。该系统旨在减少能量的净消耗， 其中通过设置在每个部分中的气体温度和压力，以致碳化器有利地在比煅烧炉更高的温度 下进行操作，以及在这些条件下，可以将在碳化器中通过吸附CO2所释放的热量提供到煅烧 炉中并通过煅烧炉来消耗以解吸(脱附)co2。在示例性实施方式中当在煅烧炉排气装置中 的(X)2压力低于在碳化器排气装置中的(X)2压力时，通常满足发生能量循环利用的条件。由 于在这些反应器部分之间循环利用能量，所以有利地降低了分离过程的能量需求。在示例性实施方式中，在煅烧炉和碳化器的排气装置处的温度T。al。和T。aA是这样 的，以致(a)在该温度下在煅烧炉排气装置中的CO2压力等于或小于(X)2的平衡压力，Peq,Oj2(Tcalc)，以优选避免碳化的逆反应，以及(b)碳化器排气装置的温度是这样的以致在排 气装置处的(X)2压力等于/或大于(X)2的平衡压力ρε(1,ω2 (Tcarb)以优选避免煅烧的逆反应。 为了实现热量的再循环，Tcalc < T。aA。 在一种示例性实施方式中，在排气处，在CRS过程中的碳酸化温度是通过CO2捕获 的所期望的效率ζ和最初CO2压力来设定，以致
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权利要求
1.一种用于从输入气流中除去Q2的系统，所述系统包括碳化器部分，被构造成使得固体吸附剂在其中与所述输入气流反应以从所述输入气流 中除去CO2 ；煅烧炉部分，被构造成使得来自所述碳化器部分的所述固体吸附剂在其中反应以将所 述CO2释放到基本上纯的气流中；热交换器单元，用于在所述碳化器部分和所述煅烧炉部分之间交换热量； 第一调节单元，用于控制在所述碳化器部分中的CO2分压；以及 第二调节单元，用于控制在所述煅烧炉部分中的CO2分压；其中所述第一和第二调节单元被构造成使得控制分别在所述碳化器部分和所述煅烧 炉部分中的CO2分压之间的差，从而通过所述热交换单元将热量从所述碳化器提供到所述 煅烧炉。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一调节单元包括加压元件和第一加热元 件，所述第一加热元件被构造成使得控制进入所述碳化器的所述输入气流的输入温度，从 而所述碳化器部分在比所述煅烧炉部分更高的温度下进行操作，以便通过所述热交换器将 由在所述碳化器部分中的吸附化学反应放出的热量提供到所述煅烧炉部分，用于解吸化学 反应的消耗。
3.根据权利要求1和2所述的系统，其中，所述固体吸附剂包括石灰。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中，所述输入气流包括来自燃烧室的加压废气。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述输入气流包括来自气化器的加压废气。
6.根据权利要求5或6所述的系统，其中，所述燃烧室或所述气化器作为所述第一调节 单元的至少一部分。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述热交换单元包括在所述碳化器 和所述煅烧炉部分的各自壁之间的热耦合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述热交换单元包括输送元件，用于 在第一温度下将来自所述碳化器部分的吸附剂输送到所述煅烧炉部分以及用于在低于所 述第一温度的第二温度下将来自所述煅烧炉部分的吸附剂输送到所述碳化器部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第二调节单元包括机械泵。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第二调节单元包括在所述煅烧 炉中的蒸汽喷射器以及在所述煅烧炉排气装置之后的蒸汽冷凝器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第二调节单元包括第二加热元 件，用于控制在所述煅烧炉部分中的温度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，进一步包括连接于所述碳化器部分的净 化的烟道气排气装置的扩展单元，用于减压所述净化的烟道气。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述扩展单元连接于所述第二调节单元，用于 将来自所述减压的回收能量提供到所述第二调节单元。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其中所述扩展器进一步连接于用于压缩所述 CO2的压缩机组。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述热交换单元包括气体切换机 构，以致，在第一切换构造中，所述烟道气经过在作为所述碳化器部分的所述系统的第一区 域中的所述固体吸附剂的第一部分，而所述固体吸附剂的第二部分与在作为所述煅烧炉部 分的上述系统的第二区域中的所述烟道气分离，并且以致，在第二切换构造中，所述烟道气 经过在作为所述煅烧炉部分的所述第二区域中的所述固体吸附剂的第二部分，而所述固体 吸附剂的第二部分与在作为所述碳化器部分的所述第一区域中的所述烟道气分离。
16.一种用于从输入气流中除去CO2的方法，所述方法包括以下步骤使固体吸附剂和所述输入气流反应以在碳化器中从所述输入气流中除去CO2 ； 在煅烧炉中反应来自所述碳化器的所述固体吸附剂以将所述CO2释放到基本上纯的气 流中；在所述碳化器和所述煅烧炉之间交换热量；以及控制在所述碳化器中的CO2分压和在所述煅烧炉中的CO2分压，以致控制分别在所述碳 化器和所述煅烧炉中的所述CO2分压之间的差，从而将热量从所述碳化器提供到所述煅烧炉。
全文摘要
本发明涉及用于从输入气流中除去CO2的系统和方法。该系统包括碳化器部分，其构造成使得固体吸附剂在其中与输入气流反应以从输入气流中除去CO2；煅烧炉部分，其构造成使得来自碳化器部分的固体吸附剂在其中反应以将CO2释放成为基本上纯的气流；热交换器单元，用于在碳化器部分和煅烧炉部分之间交换热量；第一调节单元，用于控制在碳化器部分中的CO2分压；以及第二调节单元，用于控制在煅烧炉部分中的CO2分压；其中第一和第二调节单元被构造成使得控制分别在碳化器部分和煅烧炉部分中的CO2分压之间的差，从而通过热交换单元将热量从碳化器提供到煅烧炉。
文档编号B01D53/02GK102112205SQ200980127552
公开日2011年6月29日 申请日期2009年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者马克·G·西茨 申请人:Calix有限公司