专利名称：从气体中分离可凝结蒸汽的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过在颗粒床上使蒸汽凝华从气体中分离凝华蒸汽(例如，二氧化碳)的方法和系统。
背景技术：
从其它轻质气体例如氮气中分离二氧化碳对实现二氧化碳的分离很重要。常规的动力站或发电站的烟道气一般包含约4% (体积百分比)到约14%的二氧化碳(CO2)。CO2 可以是气候变化的一个重要标示。因此，很明显需要从烟道气中俘获CO2的高效率的方法， 以便产生可以被快速运输到安全的存储地点或更进一步的应用的ω2的浓缩气流。已经或计划通过五种主要技术来从气流中俘获CO2:吸收，其中，CO2被选择地吸收进液态溶剂中； 吸附或化学循环，其中，通过在特别设计的固体颗粒的表面上吸附或反应来分离CO2，在之后的工艺或处理中可能会或者也可能不会引起所述特别设计的固体颗粒向基本上纯的气流中释放CO2 ；隔膜，其中，通过半渗透性的塑料或陶瓷隔膜来分离CO2 ；全氧燃烧，其中，在燃烧之前从空气中分离氧气，以产生基本上纯的CO2流；以及，低温/高压处理，其中，通过冷凝CO2来实现分离。目前从烟道气中俘获(X)2最被接受的并因此被证实是经济的技术是用胺溶液洗涤烟道气从而将(X)2吸收至溶液中。对于俘获(X)2的系统，该技术从小规模的烟道气和从专业工艺上已经达到了操作的商业状态。然而，它的应用显著降低了发电厂或动力厂发电厂的整体效率。已经受到显著关注的另一种工艺是氧气燃烧系统，其使用氧气来代替空气进行基本燃料的燃烧，所述氧气通常在空气分离设备(ASU)但有时也在膜分离设备中产生。所述氧气经常混合有惰性气体，例如再循环的烟道气，以在适合的水平上保持燃烧温度和热吸收。氧气燃烧工艺产生具有CO2、水以及A作为它的主要组分的烟道气；(X)2浓度一般大于约70% (体积百分比)。在CO2被送去存储之前，通常需要对烟道气进行处理以从烟道气中移除空气污染物和非可冷凝或凝结的气体(例如氮气)。
发明内容
本公开描述了在持续的分离工艺中用于从其他气体(例如，氮气)中分离凝华蒸汽(例如，二氧化碳)的方法和系统。分离工艺在具有床内热交换设备的流化或固定床中执行。床内热交换设备对床和/或流过床的工艺流进行冷却。随着工艺流的冷却，使可凝结蒸汽凝结或冷凝，从而在床颗粒的表面和/或外部热交换设备表面形成冷凝相。凝华蒸汽的冷凝作用也导致在工艺流中蒸汽从其它气体分离，从而形成分离的轻质气体流。冷凝的固体，例如但不限于，二氧化碳、硫的氧化物、氮的氧化物以及水，可以被融化形成液体并且用作产品或使用任意适合的隔离技术来隔离。例如，可以将分离的二氧化碳注入到含水土层或其它适合的地下水库。在本发明中颗粒床的使用为蒸汽凝华作用提供了充足的表面区域。颗粒床通过使
4发生于热交换设备表面的凝华作用的量作为凝华蒸汽占的总百分比最小化来提高系统的效率。在一个实施例中，可以将床流化。在该实施例中，流化的颗粒可以撞击热交换设备的导管的外表面来减少冷凝的固体的积聚，从而进一步提高热交换设备的效率并且允许系统的持续的操作。在一个实施例中，系统包括具有工艺流入口和轻质气体出口的分离容器。工艺流入口与包括可凝结蒸汽的工艺流成流体连通。将颗粒床放置于分离容器内。颗粒床与工艺流成流体连通并且工艺流有足够的压力来流过颗粒床。床内热交换设备包括至少部分浸没于颗粒床中的一个或更多个热交换设备表面。在床内的温度和压力足以使至少一部分可凝结蒸汽从工艺流凝华至颗粒床上和/或至床内热交换设备的导管的外部上。冷凝的蒸汽形成冷凝的固体，从而在工艺流中从轻质气体中分离，轻质气体作为分离的轻质气体流从容器排出。颗粒床可以包括任意类型的颗粒。在一个实施例中，颗粒床包括凝华的固体的颗粒。例如，其中二氧化碳从工艺流中分离，颗粒床可以包括固体二氧化碳的颗粒。颗粒也可以包括其它非可冷凝物质例如无机物(二氧化硅、氧化物、碳酸盐等)来提高床中的颗粒大小的均勻性。但是，不要求颗粒是各向异性的。在凝华期间，在床中的颗粒和/或导管中蒸汽的冷凝导致床中大量积聚。可以将固体从容器中移除来保持希望的床体积和/或颗粒大小。在一个实施例中，将颗粒从较大颗粒易于堆积的床底部移除。通过从床移除颗粒来移除冷凝的固体可以用于促进系统的持续操作。这里描述的系统和方法可以在适合于在工艺流中使可凝结蒸汽凝华的任意温度和压力下执行。在一个实施例中，容器中的压力可以相对较低，例如，压力在约环境压力至约15psi或约环境压力至约lOpsi，或环境压力至约5psi的范围内。在可替换的实施例中， 压力可以相对较高，例如在约5psi至约IOOOpsi或更高，或约20psi至约500psi的范围内。 在使二氧化碳凝华处，在颗粒床内选择使气体的二氧化碳直接转换为固体二氧化碳的温度和压力。用于使二氧化碳凝华的温度和压力是众所周知的。例如，在环境压力下，二氧化碳蒸汽在低于约_78°C的温度下凝华。在一个实施例中，可以在高压下操作分离装置(即，分离容器、颗粒床以及床内热交换设备)这样排出的轻质气体流可以被进一步冷却作为制冷气体在床内热交换设备中供使用。在一个实施例中，在分离容器中，使具有大于约5psi、大于约20psi或大于约50psi 的压力的分离轻质气体流膨胀来将分离的轻质气体流冷却至颗粒床的温度以下的温度。对分离的轻质气体流的额外的冷却可以使分离的轻质气体流中的可凝结蒸汽的剩余部分凝华。固体分离装置可以用于移除在分离的轻质气体流的膨胀中形成的固体。然后可以通过穿过颗粒床的导管内部来传递冷却的分离的轻质气体流从而从颗粒床吸取热量。在可替换实施例中，可以使用不同于分离的轻质气体流的方法来对床内热交换设备进行冷却。在一个实施例中，床内热交换设备可以包括制冷单元。在该实施例中，可以使用用于对颗粒床进行冷却的可以达到希望的温度和散热率的任意制冷系统。这里描述的系统和方法也可以包括在分离装置上游执行的冷却步骤。在将工艺流导入容器之前，一般使用一个或更多个热交换设备来冷却工艺流。在初始的冷却工艺中，可以干燥工艺流来移除水。在一个实施例中，使用一个或更多个回热式热交换设备来对工艺流进行冷却，回热式热交换设备使用分离的轻质气体流来冷却工艺流。可以在直接位于分离容器下游的热量回收交换设备中使用分离的轻质气体流，或可替换地，如上述可以在位于膨胀装置下游的回热式热交换设备和床内热交换设备中使用分离的轻质气体流。在一个实施例中，用于从气体中分离可凝结蒸汽来形成固体的方法包括下面步骤的全部或一部分(i)提供包括可凝结蒸汽的工艺流；(ii)使用一个或更多个上流式热交换设备来对工艺流进行冷却；(iii)提供分离装置，其包括具有工艺流入口和轻质气体出口的容器；颗粒床；以及具有至少部分浸没于颗粒床的一个或更多个导管的床内热交换设备；(iv)将工艺流导入位于一个或更多个上流式热交换设备下游的分离装置并使工艺流流过颗粒床；(ν)在一定的温度和压力下使用床内热交换设备对颗粒床进行冷却，该一定的温度和压力足以使工艺流中的至少一部分可凝结蒸汽从工艺流凝华至颗粒床上和/或床内热交换设备的导管外部上，以形成冷凝的固体和分离的轻质气体流；以及(Vi)通过轻质气体出口从容器中移除分离的轻质气体流。在一个实施例中，所述方法包括使用包括二氧化碳的工艺流和在适合于使二氧化碳凝华的温度和压力下操作分离装置。所述方法还可以包括使颗粒床流化。在一个实施例中，可以在稳定的状态中操作分离装置，在该稳定的状态中，在导管外部冷凝的固体的积聚速度与所冷凝的固体的移除速度大致相同。可以通过以下方式来提供稳定的状态配置导管上的颗粒的碰撞使从导管上移除冷凝的固体的积聚的速度与积聚发生和/或从床移除固体的速度大致相等，从而保持床体积在希望的范围内。本发明的这些和其它目的和特征通过下面的描述和随附的权利要求变得更加显而易见，或可以通过实施下面所公开的本发明而认识到。
为进一步阐明本发明的以上以及其它优势和特征，将参照在附图中说明的具体实施方式
来对本发明进行更详细的描述。应意识到，这些图仅描绘了本发明的示例性实施例， 而不应该理解为对本发明的范围的限制。将通过使用附图来描述和解释本发明额外的特征，其中图1是用于从气体中分离可凝结蒸汽的系统的示意图。图2是用于对分离容器上游的工艺流进行冷却的热交换设备的示意图。图3是用于从分离容器上游的工艺流移除杂质的热交换设备的示意图。图4A示出了图1的系统的分离容器。图4B示出了图4A的分离容器的分布板的俯视图。图4C是图4A的床内热交换设备的俯视剖视图。图5是用于使用高压从气体中分离可凝结蒸汽的系统的示意图。
具体实施例方式这里公开的系统和方法涉及从工艺流(例如，来自发电厂或动力厂的烟道气)分离可凝结蒸汽来形成固体和分离的轻质气体流。例如，在一个实施例中，所述方法和系统涉及从包括二氧化碳和氮气的工艺流中冷凝二氧化碳蒸汽。所述系统和方法使用由床内热交换设备冷却的颗粒床来使可凝结蒸汽凝华。蒸汽在床颗粒上冷凝来形成固体或被吸收的液体，而没有冷凝的较轻质气体形成分离的轻质气体流。冷凝的蒸汽以任何希望的方式使用。 例如，当冷凝的蒸汽是二氧化碳时，则之后可以使用任何适合的隔离技术来使固体二氧化碳融化和隔离。本发明的系统和方法可以用于分离任何工艺流中的可凝结蒸汽，所述工艺流包括气体的混合物，其中一些气体的相可以被容易地改变。工艺流一般产生于碳氢化合物加工处理厂。产生适合在本发明中使用的工艺流的碳氢化合物加工处理厂的例子包括但不限于烧煤的发电厂或动力厂、烧天然气的发电厂或动力厂和/或烧燃料油的发电厂或动力厂。虽然本发明尤其优选供来自动力工厂的工艺流使用，但本发明也可以供其它工业工艺流使用，例如但不限于来自石油加工的工艺流。用于冷凝蒸汽的系统图1是用于从气体中分离可凝结蒸汽的示例的系统100的示意图。系统100包括工艺流112，其与回热式热交换设备单元114成流体连通。回热式热交换设备单元114将工艺流冷却至接近存在于工艺流112中的可凝结蒸汽的冷凝点的温度。工艺流112流入颗粒床容器116，其包括颗粒床118和床内热交换设备120。来自外部制冷单元121的冷却剂对热交换设备120进行冷却，该热交换设备120将颗粒床118冷却至低于存在于工艺流112 中的可凝结蒸汽的冷凝点的温度。随着蒸汽流过颗粒床118，蒸汽在颗粒上凝结形成固体。 在进行冷凝过程中，可凝结蒸汽与流112中的其它气体分离，由此形成轻质气体流124。把作为固体颗粒流122的冷凝的固体从容器116中移除。在回热式热交换设备单元114中选择地融化固体颗粒流122来为工艺流112提供冷却。使用轻质气体流IM来冷却在热交换设备单元114中的工艺流112。使用轻质气体流IM和/或固体颗粒流122的冷却工艺流112重新获得对流112进行冷却所消耗的一部分能量。该回热工艺提高了整个分离系统100的效率。热交换设备单元114可以包括任何数量的压缩机、热交换设备、送风机、泵、导管、 阀、感应器、控制器以及在本领域中用于对工艺流进行冷却、干燥、增压和/或提纯的其它已知的部件。图2提供了包括多个热交换设备214、216、218、220和222的回热式热交换设备单元114的说明性例子。一般首先在一个或更多个冷却工艺中使用水和/或空气将工艺流112冷却至环境温度。例如，使用本领域已知的技术在环境温度下可以用水219对工艺流112进行冷却来产生工艺流11加。在第二热交换设备中，在热交换设备218中对工艺流11 进行冷却以使可能存在于工艺流11 中的任何水蒸汽冷凝从而产生干燥的工艺流 112b。可以使用任何适合的冷却剂121来冷却工艺流11加。可以由流122和/或IM来提供冷却剂121或使用本技术领域已知的非回热技术对冷却剂121进行冷却，非回热技术例如但不限于外部制冷单元。第二热交换设备216可以包括用于移除冷凝的水124的分离
ο可以将干燥的工艺流112b导入任何数量或任何型号的热交换设备来将工艺流冷却至刚好在存在于工艺流(即，要通过颗粒床移除的可凝结蒸汽)中的可凝结蒸汽的冷凝温度以上的温度。图2显示正在导入一系列热交换设备218、220以及222然后通过送风机 223的工艺流112b。热交换设备218、220以及222将工艺流冷却至刚好在可凝结蒸汽的结霜或露点以上的温度，并且送风机223提供压力用于将所冷却的工艺流注入到分离容器
7116 中。在一个实施例中，冷的分离的轻质气体流IM作为冷却剂流过热交换设备218和 220。在热交换设备218和220中，冷的分离的轻质气体流2 可以与工艺流112b的流动成相反的流动，这样，流124的较冷部分(即，上游部分)与流124的较冷部分(即，下游部分)进行热接触。可以通过使用对达到希望的冷却效率必要的任意数量的热交换设备来使轻质气体流1 反方向于干燥的工艺流112b流动得以完成。可替换地，或者除了使用多个热交换设备，可以使轻质气体流1 和工艺流112b在单一的热交换设备中具有相反的流。例如，具有用于工艺流112b和轻质气体流IM平行流动的导管的热交换设备可以包括相反方向的流。相反的流可以有益于确保轻质气体流124的最冷部分接触到最冷的干燥工艺流112b， 使得使用了轻质气体流1 作为冷却剂的工艺流112b可以达到最冷温度。在热交换设备单元114中使用冷的分离的轻质气体流124作为冷却剂回收了在冷却气体来形成轻质气体流124中消耗的能量。由于热力学定律阻止任何封闭系统达到 100%的效率，所以在系统100中某一时刻需要对工艺流112进行额外的冷却来达到用于冷凝蒸汽的希望的低温度。如有需要，可以在容器116的输入部分先于容器116提供一部分外部冷却来使工艺流112达到希望的温度。回热式热交换设备单元114也可以包括利用固体颗粒流122来冷却工艺流112的一个或更多个热交换设备。可以使用工艺流112来融化和/或加热工艺流112从而产生融化的(X)2流112a，其结果是对工艺流112进行冷却。在示例实施例中，热交换设备222对热交换设备220的下游的工艺流112进行冷却来产生(X)2流11加。在可替换实施例中，可以在使用轻质气体流1 作为冷却剂的回热式热交换设备(例如，热交换设备218和220)的上游或下游的热交换器中使用颗粒流122。 也能在任意数量的热交换设备中使用气流122来提供希望的冷却效率。也可以先于容器116配置回热式热交换设备114来移除一种或多种不同类型的杂质。杂质作为使用天然产品例如煤和石油来产生工艺流的结果经常被发现于工艺流中。在一个实施例中，工艺流可以包括但不限于萊、NOx, SOx、它们的组合以及已知的存在于在工业的工艺流中的任何其它杂质。在希望的温度和压力下可以通过在热交换设备中使杂质冷凝来移除杂质。可以使用任意数量的热交换设备和/或压缩机和/或分离设备来使不纯的蒸汽冷凝并从工艺流 112b中分离来产生纯化的干燥工艺流。在热交换设备中使用的冷却剂可以是分离的轻质气体流124、冷凝的0)2流(例如，流122)或者来自于外部制冷单元或具有相当功能的设备的冷却剂。通过选择使杂质冷凝而其它可凝结蒸汽(例如，CO2)不冷凝的合适的温度和压力来进行杂质的分离。本领域的技术人员熟悉使一般发现于工艺流中的杂质冷凝所需要的温度和压力。这些杂质包括但不限于硫和氮的氧化物(S02、S03、N0、N02)、在冰点以下温度的水、卤化气体(HCL，HgCLx)汞、砷化合物以及烟道气常见的和操作的、健康或环境关注的其它杂质。通常，这些化合物在颗粒或表面的温度达到或在它们的冰点以下时凝华。下面在表1中提供相关的化合物通常的冰点表 权利要求
1.一种用于从气体中分离可凝结蒸汽来形成固体的系统，包括分离容器，其具有工艺流入口和轻质气体出口，其中，所述工艺流入口与包括可凝结蒸汽的工艺流成流体连通；颗粒床，其在所述分离容器内，所述颗粒床与所述工艺流流体连通，其中，所述工艺流具有足够的压力流过所述颗粒床的至少一部分；床内热交换设备，其包括至少部分浸没于所述颗粒床中的一个或更多个导管；以及其中，在所述床内的温度和压力足以使至少一部分所述可凝结蒸汽从所述工艺流凝华至所述颗粒床上和/或所述床内热交换设备的所述导管的外部上以便形成冷凝的固体和分离的轻质气体流，所述轻质气体流通过所述轻质气体出口从所述分离容器排出。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述颗粒床被流化。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述床中的颗粒的碰撞将一部分积聚的冷凝的固体从所述导管的外部移除。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述可凝结蒸汽包括二氧化碳。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述床内的所述温度和压力适合于使所述二氧化碳蒸汽的至少一部分凝华。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述压力在约大气压力至约15psi的范围内。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述压力在约大气压力至约5psi的范围内。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述床内的所述温度约低于78°C。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述颗粒床具有的平均颗粒大小在约0.05mm至约 20mm的范围内。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述颗粒床具有的平均颗粒大小在约0.Imm至约 IOmm的范围内。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述颗粒床包括颗粒，所述颗粒包括二氧化碳。
12.如权利要求1所述的系统，还包括膨胀设备，其位于所述分离容器的下游，所述膨胀设备被配置来通过降低压力从而对所述轻质气体流进行冷却，其中，冷却的所述轻质气体流流经所述床内热交换设备的所述导管的内部。
13.如权利要求1所述的系统，还包括回热式热交换设备，其被配置来使用位于所述分离容器下游的所述分离的轻质气体来对位于所述分离容器上游的所述工艺流进行冷却。
14.颗粒入口，其用于从所述颗粒床中导入和/或移除颗粒。
15.一种用于从气体中分离可凝结蒸汽来形成固体的方法，包括 提供包括可凝结蒸汽的工艺流；使用一个或更多个上流式热交换设备来对所述工艺流进行冷却；提供分离装置，该分离装置包括容器，其具有工艺流入口和轻质气体出口 ；颗粒床；以及床内热交换设备，其包括至少部分浸没于所述颗粒床中的一个或更多个导管； 将所述工艺流导入位于所述一个或更多个上流式热交换设备下游的所述分离装置，并且使所述工艺流流过所述颗粒床；在一温度和压力下使用所述床内热交换设备对所述颗粒床进行冷却，所述温度和压力足以使所述工艺流中的可凝结蒸汽的至少一部分从所述工艺流凝华至所述颗粒床上和/ 或至所述床内热交换设备的所述导管的外部上以形成冷凝的固体和分离的轻质气体流；以及通过所述轻质气体出口将所述分离的轻质气体流从所述容器移除。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述分离装置中的所述温度和压力使二氧化碳凝华。
17.如权利要求15所述的方法，还包括使所述颗粒床流化。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述流化床的颗粒的碰撞使一部分积聚的冷凝的固体从所述导管的外部移除。
19.如权利要求18所述的方法，还包括在平稳的状态中操作所述分离装置，在所述平稳的状态中，作为所述流化床中的颗粒的所述碰撞的结果，在所述导管外部冷凝的固体的积聚速度与所述导管外部冷凝的固体的移除速度大致相同。
20.如权利要求15所述的方法，还包括对所述分离装置下游的所述分离的轻质气体流进行冷却，并在所述床内热交换设备中将所述冷却的、分离的轻质气体流作为冷却剂来使用。
21.如权利要求15所述的方法，其中，所述一个或更多个上流式热交换设备包括回热式热交换设备，所述回热式热交换设备在位于所述分离装置下游的一点使用所述分离的轻质气体流对位于所述分离装置上游的所述工艺流进行冷却。
全文摘要
在工艺流中从轻质气体中分离可凝结蒸汽例如二氧化碳。本发明的系统和方法使用由床内热交换设备来冷却的颗粒床从而使可凝结蒸汽从工艺流中凝华。可凝结蒸汽在床颗粒上冷凝而来自工艺流的未冷凝的轻质气体形成分离的轻质气体流。可以在回热式热交换设备中使用分离的轻质气体流来冷却工艺流。
文档编号B01D7/00GK102427869SQ201080021604
公开日2012年4月25日 申请日期2010年3月16日 优先权日2009年3月16日
发明者L·L·巴克斯特 申请人:布莱阿姆青年大学