CO₂去除过程中借助于半透膜的痕量组分去除的制作方法

专利名称：CO₂去除过程中借助于半透膜的痕量组分去除的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过使气体流与循环的含氨溶液流接触，使得二氧化碳在所述含氨溶液中被吸收而从气体流去除二氧化碳(CO2)的系统和方法。更具体地讲，本发明涉及用于从气体流去除CO2的基于冷冻氨的工艺和系统。
背景技术：
在诸如煤、石油、泥炭、废弃物等的燃料在诸如与用于向发电设备提供蒸汽的锅炉系统相关联的燃烧设备的燃烧设备中的燃烧过程中，生成热过程气体(或烟气)。这样的烟气除了其他以外将常常包含二氧化碳(CO2)。将二氧化碳释放到大气中的负面环境效应已广为人知，并且已导致适于从在上述燃料的燃烧中生成的热过程气体去除二氧化碳的工艺的发展。此前公开的一种这样的系统和工艺是用于从燃烧后烟气流中去除CO2的单级冷冻氨基系统和工艺。已知的冷冻氨基系统和工艺(CAP)提供了用于从诸如例如燃烧后烟气流的气体流中捕获和去除CO2的相对低成本的手段。这样的系统和工艺的一个示例此前已在名称为“Ultra Cleaning of Combustion Gas Including the Removal of CO2，，的公开的国际专利申请WO 2006/022885中公开。WO 2006/022885公开了一种用于从烟气去除二氧化碳的方法，该方法包括在CO2吸收器中借助于含氨溶液或浆液从冷却至低于环境温度的温度(优选地在0°C和20°C之间，更优选地在0°C和10°C之间)的烟气捕获二氧化碳。CO2被处于(TC和20°C之间、更优选地在0°C和10°C之间的温度下的吸收器中的含氨溶液吸收，之后，含氨溶液在高温高压下在再生器中再生，以允许CO2作为高纯度的气体二氧化碳逸出含氨溶液。在WO 2006/022885中描述的工艺中，再生的含氨溶液可在CO2吸收过程中被重复使用，从而形成含氨溶液的循环流。如WO 2006/0228 85中描述的冷冻氨工艺中的问题在于，例如作为引入的烟气流中的水分进入含氨溶液循环流的水积聚在含氨溶液中。这种积聚的水用来稀释含氨溶液，从而降低含氨溶液从烟气流“捕获” CO2的能力。此外，如WO 2006/022885中描述的冷冻氨工艺中的另一个问题在于，在冷冻氨工艺中捕获的痕量组分(即，除二氧化碳、氨水和相应的离子/盐之外的组分)可积聚。此前，循环含氨溶液中的水和痕量组分的量已通过例如去除“流出物(bleed)流”中的含氨溶液的一部分和通过以添加新鲜氨方式补偿含氨溶液的稀释而调整。“流出物流”中的含氨溶液必须接着被处置，并且必须提供新鲜氨，这导致增加的成本和环境问题。另一个解决方案是包括蒸发器(以下称为附属汽提塔(stripper))，其蒸发事实上所有的二氧化碳、大部分氨和显著量的水。蒸发的化合物在过程中重复使用。附属汽提塔需要非常大的热输入以蒸发水，例如，为了使痕量组分的量翻倍，必须蒸发大约50%的水，这使附属汽提塔成为主要的热用户。此外，它需要冷却塔顶(overhead)流。根据附属汽提塔的操作压力，该热量可(部分地)在较低能级下重复使用或者必须通过外部冷却排掉。由于介质和尤其是在增加的浓度下的痕量组分表现出的腐蚀性质(这被附属汽提塔操作时所处的高温加剧)，高等级不锈钢或其它耐腐蚀构造材料需要用于附属汽提塔。

发明内容
本发明的目的是减少或防止用于从气体流去除二氧化碳(CO2)的基于冷冻氨的系统和工艺的含氨溶液中痕量组分的积聚。本发明的另一个目的是在对系统没有增加的能量要求或能量要求较低的情况下减少或防止基于冷冻氨的系统和工艺的含氨溶液中痕量组分的积聚。例如用于从由功率设备的锅炉单元所产生的气体去除CO2的工业气体净化系统的构造和操作与高的投资和运营成本相关联。本文所述的方面基于本发明的以下认识:在用于从烟气去除CO2的冷冻氨工艺中，通过使用膜分离步骤可实现显著的工艺改进和运营成本降低。已经发现的是，膜分离步骤可有利地代替用于从水和较轻型锅炉分离痕量组分的常规地使用的附属汽提塔或作为其补充而使用。根据本文所示的方面，提供了一种用于通过使气体流与循环含氨溶液流接触使得CO2被吸收在所述含氨溶液中而从气体流去除二氧化碳(CO2)的系统，
其特征在于，该系统包括膜净化器，所述膜净化器具有第一和第二隔室，其中所述第一和第二隔室由半透膜分离。含氨溶液通 常是含水的，并且可由例如水、氨、二氧化碳以及它们的衍生物构成。此外，含氨溶液在实践中还将包含在CO2去除工艺期间在含氨溶液中引入和积聚的不同量的痕量组分。含氨溶液中的痕量组分可大体上包括与CO2去除工艺不直接相关的所有组分，即，除了水、氨、二氧化碳以及它们的衍生物之外的所有组分。可存在于含氨溶液中的氨和二氧化碳的衍生物的示例包括铵离子、碳酸氢盐离子、碳酸盐离子和/或氨基甲酸盐离子。本公开中的痕量组分的示例包括但不限于金属离子、氯、硫酸盐和/或硝酸盐。在一个实施例中，半透膜被选择为可渗透水和/或氨和/或铵离子且不可渗透金属离子、氯化物、硫酸盐和/或硝酸盐。膜净化器的第一隔室可构造成从系统接纳循环溶液的至少一部分，使得溶液与半透膜接触。膜净化器的第二隔室可构造成通过半透膜接纳来自第一隔室的循环溶液的渗透物。膜净化器的第二隔室可有利地构造成将循环溶液的渗透物返回至系统，例如返回至从其中接纳渗透物的循环溶液。相比先前用来控制痕量组分和/或水的量的流出物流或附属汽提塔，如本文所述的膜净化器的使用具有许多优点。例如，膜净化器的能量要求非常低并且主要与将进料流泵送至净化器有关。避免了间歇气体产物流，例如由附属汽提塔产生的那些。由于不需要加热，不需要热联合(integration)来使运营更经济。没有公用系统(蒸汽、冷却等)的独立操作是可能的。此外，膜净化器允许在诸如汽提塔底部(bottom)、水洗底部和贫溶液的不同进料溶液之间的切换。相比附属汽提塔，膜净化器需要显著更少的设备和公用系统连接。膜净化器具有占有面积减少和更低的投资成本的潜力。例如，用于工业应用的一个膜(在约1X0.1m的卷模块中的7.6m2的膜面积)将能够净化约3001/hr。由于低操作温度(可能为环境温度)，与例如在汽提塔中的更高温度相关联的腐蚀问题显著减少。此外，例如由硫酸盐分解形成的硫化合物的不期望汽提是不可能的。在一个实施例中，该系统包括构造成使用含氨溶液从气体流吸收CO2的捕获分段和构造成从含氨溶液去除CO2的再生分段。捕获分段可包括CO2吸收器，其构造成接纳含CO2的气体流并使该气体流与含氨溶液流接触以形成富CO2的含氨溶液流，并且再生分段可包括再生器，其构造成从CO2吸收器接纳富CO2的含氨溶液流，并且使CO2与含氨溶液分离以形成贫CO2的含氨溶液流，并且将所述贫CO2的含氨溶液流返回至CO2吸收器。添加到或形成于含氨溶液中的一些组分不通过再生器或不通过在CO2吸收器中的蒸发去除，并且可在溶液中积聚。这样的组分在本文中被称为“痕量组分”。这样的痕量组分的示例包括但不限于金属离子、氯、硫酸盐和/或硝酸盐。痕量组分的积聚可引起各种问题，包括但不限于增加的腐蚀、结垢和沉积物以及含氨溶液的失活。在各种实施例中，冷冻氨系统和工艺也可包括“水洗”步骤，该步骤对于去除离开CO2吸收器的气体流中存在的氨和其它痕量组分有效。水洗步骤通常包括使离开CO2吸收器的气体流与通常为水或稀释水溶液的洗涤溶液在合适的吸收器容器中接触。这样的水洗分段是现有技术公知的。在一个实施例中，系统包括构造成使用洗涤溶液从气体流吸收氨的氨吸收器和构造成从洗涤溶液去除氨的氨汽提塔。氨吸收器可构造成从CO2吸收器接纳消耗掉CO2的气体流并且使气体流与洗涤溶液流接触，使得氨被吸收在所述洗涤溶液流中，并且氨汽提塔可构造成从氨吸收器接纳包含吸收的氨的洗涤溶液并从洗涤溶液去除氨。当氨已在氨汽提塔中被去除时，可将洗涤溶液送回以便在氨吸收器中重复使用。添加到或形成于洗涤溶液中的一些组分不通过氨汽提塔或不通过在氨吸收器中的蒸发去除，并且可在溶液中积聚。这样的组分在本文中被称为“痕量组分”。这样的痕量组分的示例包括但不限于金属离子、氯、硫酸盐和/或硝酸盐。痕量组分的积聚可引起各种问题，包括但不限于增加的腐蚀、结垢和沉积物。膜净化器可有利地在C O2去除系统中实现，该系统还包括用于从已在CO2吸收器中处理的气体流去除残余氨的水洗步骤。在膜净化器中净化的循环溶液可选自捕获或再生分段的循环含氨溶液和水洗分段的循环洗涤溶液。在一个实施例中，循环溶液为捕获或再生分段的循环含氨溶液。在另一个实施例中，循环溶液为循环洗涤溶液。根据本文中所示的其它方面，提供了一种用于通过使气体流与循环含氨溶液流接触使得CO2在所述含氨溶液被吸收而从气体流去除二氧化碳(CO2)的方法，所述方法包括使用半透膜将痕量组分从循环溶液分离的步骤。根据本文中所示方面的方法的优点对应于针对上述系统阐述的优点。在一个实施例中，用于去除二氧化碳的方法包括:
a)使含氨溶液流与含CO2的气体流接触以形成富CO2的含氨溶液流；
b)从步骤a)的富CO2的含氨溶液流去除CO2中的至少一部分，以形成贫CO2的含氨溶液流；
c)将步骤b)中形成的贫CO2的含氨溶液中的至少一部分再循环至步骤a)，并且由以下步骤来表征:
d)使用半透膜将痕量组分从循环含氨溶液分离。在一个实施例中，还包括水洗步骤，该方法还可包括:
al)使洗涤溶液流与含氨的气体流接触，以形成富氨的洗涤溶液流；
bl)从步骤al)的富氨的洗涤溶液流去除氨中的至少一部分，以形成贫氨的洗涤溶液流；以及
Cl)将步骤bl)中形成的贫氨的洗涤溶液中的至少一部分再循环至步骤al)，并且由以下步骤来表征:
dl)使用半透膜将痕量组分从循环洗涤溶液分离。根据本文中所示的其它方面，提供了具有第一和第二隔室的膜净化器在用于使用循环含氨溶液去除二氧化碳(CO2)的方法或系统中用于减少循环溶液流的痕量组分和/或水含量的用途，其中所述第一和第二隔室由半透膜分离。使用膜净化器减少根据本文所示方面的系统或工艺中的水和/或痕量组分含量的优点对应于针对上述系统和方法阐述的优点。在上述方面中的任一个的实施例中，用于通过使气体流接触循环含氨溶液使得CO2在所述含氨溶液中被吸收而从气体流去除CO2的所述方法或系统可以是用于从气体流去除CO2的基于冷冻氨的方法或系统。WO 2006/022885公开了用于从烟气去除二氧化碳的一种这样的冷冻氨方法和系统，该方法包括在CO2吸收器中借助于含氨溶液或浆液从冷却至低于环境温度的温度(优选在0°C和20°C之间，更优选地在0°C和10°C之间)的烟气捕获二氧化碳。CO2被处于(TC和20°C之间、更优选地在0°C和10°C之间的温度下的吸收器中的含氨溶液吸收，之后，含氨溶液在高温高压下在再生器中再生，以允许CO2作为高纯度的气体二氧化碳逸出含氨溶液。本发明的另外的目的、特征和优点将从说明书和权利要求书中显而易见。以上描述的特征和其它特征将通过下列附图和详细描述举例说明。


参照附图可更好地理解本发明的许多方面。附图为示例性实施例，其中类似的元件编号类似。图1是大体上描绘气体清洁系统的示例的示意图。图2是大体上描绘膜净化器的示意图。图3a和图3b大体上描绘包括膜净化器的气体净化系统的实施例。
具体实施例方式此处将参照附图详细描述本发明。CO2去除系统可大体上形成用于清洁由例如在功率发生设备的蒸汽发生器系统中使用的锅炉系统的燃烧室排放的烟气的气体清洁系统的一部分。气体清洁系统可包括除尘系统和构造成用于去除来自烟气的颗粒和其它污染物的涤气器(scrubber)系统。CO2去除系统构造成在将清洁的烟气流排放至排气烟囱(或备选地额外的处理)之前从烟气流FG去除C02。CO2去除系统还构造成输出从烟气流FG去除的C02。参照图1，0)2去除系统I包括用于从烟气流FG捕获和去除CO2的捕获分段2和用于再生用来从烟气流去除CO2的含氨溶液的再生分段3。在该实施例中，CO2捕获分段2为基于冷冻氨的CO2捕获分段。在用于CO2去除的基于冷冻氨的系统/方法中， 提供了 CO2吸收器4，其中吸收剂含氨溶液(含氨溶液)与含CO2的烟气流(FG)接触。已知的基于冷冻氨的CO2去除方法和系统的示例在WO 2006/022885中有所描述。WO 2006/022885公开了一种用于从烟气去除二氧化碳的方法，该方法包括在CO2吸收器中借助于含氨溶液或浆液从冷却至低于环境温度的温度(优选在0°C和20°C之间，更优选地在0°C和10°C之间)的烟气捕获二氧化碳。CO2被处于0°C和20°C之间、更优选地在0°C和10°C之间的温度下的吸收器中的含氨溶液吸收，之后，含氨溶液在高温高压下在再生器中再生，以允许CO2作为高纯度的气体二氧化碳逸出含氨溶液。含氨溶液通常是含水的，并且可由例如水、氨、二氧化碳以及它们的衍生物构成。可存在于含氨溶液中的氨和二氧化碳的衍生物的示例包括铵离子、碳酸氢根离子、碳酸根离子和/或氨基甲酸根离子。含氨溶液还可包括用于提高由含氨溶液对CO2的捕获中涉及的化学反应动力学的促进剂。例如，促进剂可包括胺(例如哌嗪)或酶(例如，碳酸酐酶或其类似物)，其可以呈溶液形式或固定在固体或半固体表面上。CO2吸收器4构造成接纳源自例如燃烧化石燃料的锅炉(未示出)的燃烧室的烟气流(FG)。它还构造成接纳来自再生器5的贫含氨溶液源。贫含氨溶液经由液体分配系统引入CO2吸收器4，同时烟气流FG还经由烟气入口被CO2吸收器接纳。含氨溶液经由气-液接触装置(以下称为质量传递装置MTD)与烟气流接触，气-液接触装置用于质量传递并且位于CO2吸收器4中且在烟气流从其进口经由入口行进至CO2吸收器出口的路径内。MTD可以是例如一个或多个公知的结构化或随机的填充材料或它们的组合。—旦在CO2吸收器4中与烟气流接触,含氨溶液就用来从烟气流吸收CO2,从而使含氨溶液“富含”CO2 (富溶液)。富含氨溶液继续向下流过MTD，且然后收集在CO2吸收器的底部中。CO2吸收器中收集的富溶液可被冷却和经由液体导管6和液体分配系统直接再循环至CO2吸收器4的顶部以用于从气体流捕获更多的C 02，从而导致具有更高浓度的被吸收CO2的富含氨溶液。CO2吸收器中收集的富溶液中的至少一部分被送至再生分段3以用于再生。为了将富含氨溶液转化为适于在CO2吸收器中重复使用的“贫”含氨溶液，富含氨溶液中的至少一部分在包括再生器5的再生分段3中被再生。在该再生器中，含氨溶液被处理以释放从烟气流吸收的C02。从含氨溶液释放的CO2可接着被输出以储存或用于其它预定的用途/目的。一旦从含氨溶液中释放CO2，含氨溶液就被称作是“贫”的。贫含氨溶液然后再次准备从烟气流吸收CO2,并且可经由液体导管7被导向回CO2吸收器4。再生器5构造成经由液体导管8接纳来自捕获分段的富溶液进料，并且在CO2已从富溶液分离后将贫溶液进料返回至捕获分段。分离的CO2经由气体出口离开再生器。再生器还可包括质量传递装置(MTD)，该装置有利于在进料至再生器的富溶液与例如借助于重沸器在再生器中产生的蒸气之间的热量和质量传递。在再生过程期间，富含氨溶液被加压和加热，使得溶液中包含的CO2与含氨溶液分离。再生过程通常包括例如使用高压泵9将再生器中的压力升高至2-150巴、优选地10-30巴的范围以及将含氨溶液的温度升高至50-200°C、优选地100-150°C的范围。在这些条件下，吸收的CO2几乎全部从含氨溶液中释放为气相。气相也可包括可被浓缩和返回至捕获分段以用于捕获更多CO2的氨的一小部分(氨泄漏)。贫含氨溶液被收集在再生器5的底部中。热交换器10可构造成使用来自再生器5的热贫含氨溶液来加热来自CO2吸收器4的富含氨溶液。如上所述，含氨溶液在捕获分段2和再生分段3之间流通以便形成循环。循环溶液的组成可在整个循环过程中变化。随着含氨溶液从气体流吸收co2，CO2及其衍生物的浓度在CO2吸收器中增加，并且随着CO2从含氨溶液中分离，该浓度在再生器中再次减小。随着一些氨被蒸发掉和被气体流从CO2吸收器带走，氨的浓度可减小。添加到或形成于含氨溶液中的一些组分不通过再生器或不通过在CO2吸收器中的蒸发去除，并且可在溶液中积聚。这样的组分在本文中被称为“痕量组分”。这样的痕量组分的示例包括但不限于金属离子、氯、硫酸盐和/或硝酸盐。痕量组分的积聚可引起各种问题，包括但不限于增加的腐蚀、结垢和沉积物以及含氨溶液的钝化。另外，随气体流进入系统的水蒸气也可积聚在含氨溶液中。为了保持含氨溶液的效力，有必要从含氨溶液去除本来将积聚在系统中并降低含氨溶液的吸收能力的水。此前，循环含氨溶液中的水和痕量组分的量通常已通过去除“流出物流”中的含氨溶液的一部分和通过以添加新鲜氨方式补偿含氨溶液的稀释而调整。“流出物流”中的含氨溶液必须接着被处置，并且必须提供新鲜的氨，这导致增加的成本。调整循环含氨溶液中水的量的此前的尝试还包括引入用来分离氨与水并从系统中去除水的汽提塔。虽然可行，但汽提塔可增加系统的总的能量要求和投资成本。在吸收CO2 之后，来自含氨溶液的痕量的氨保留在气体流中。这些污染物必须在单独的工序中从气体流中去除。CO2去除系统I可因此可选地还包括水洗分段，其用于去除离开CO2吸收器4的气体流中存在的氨。图1中示意性地示出了水洗分段的示例。水洗分段11通常包括吸收器12 (本文称之为氨吸收器)和汽提塔13 (本文称之为氨汽提塔)。在水洗工艺期间，洗涤溶液流在氨吸收器12和氨汽提塔13之间循环。水洗步骤的洗涤溶液可由水或水溶液组成。洗涤溶液应适于从气体流吸收氨并且应优选地不包含或包含低浓度的氨或铵。洗涤溶液可优选地具有中性至微酸性的pH值。此夕卜，洗涤溶液在实践中还将包含在氨去除工艺期间在洗涤溶液中引入和积聚的不同量的痕量组分。洗涤溶液中的痕量组分可大体上包括与氨去除工艺不直接相关的所有组分，即，除了水、氨、二氧化碳以及它们的衍生物之外的所有组分。可存在于含氨溶液中的氨和二氧化碳的衍生物的示例包括铵离子、碳酸氢根离子、碳酸根离子和/或氨基甲酸根离子。本公开中的痕量组分的示例包括但不限于金属离子、氯、硫酸盐和/或硝酸盐。氨和铵的浓度在洗涤溶液中通常比在含氨溶液中显著低。在氨吸收器12中，来自CO2吸收器的消耗掉CO2的气体流与洗涤溶液流接触，使得氨在所述洗涤溶液流中被吸收。在氨吸收器中使用的洗涤溶液中的至少一部分被抽出并经由液体导管14进料至氨汽提塔13。在氨汽提塔13中，包含氨的气相与洗涤溶液分离并且经由气体导管15从水洗分段中去除。除了氨之外，来自氨汽提塔13的气相还可包含水蒸气、CO2和其它低沸点污染物。包含氨的分离的气相可返回至CO2去除系统的含氨溶液,例如返回至再生器5以最小化从系统的氨损耗。氨已从其中分离的洗涤溶液被经由液体导管16再循环至氨吸收器12以用于从气体流中捕获更多的氨。洗涤溶液在氨吸收器12和氨汽提塔13之间流通以便形成循环。循环洗涤溶液的组成可在整个循环过程中变化。随着洗涤溶液从气体流中吸收氨，氨及其衍生物的浓度在氨吸收器12中增加，并且随着氨从洗涤溶液中被分离，该浓度在氨汽提塔13中再次减小。添加到或形成于洗涤溶液中的一些组分不通过氨汽提塔去除，并且可在溶液中积聚。这样的组分在本文中被称为“痕量组分”。这样的痕量组分的示例包括但不限于金属离子、氯、硫酸盐和/或硝酸盐。痕量组分的积聚可引起各种问题，包括但不限于增加的腐蚀、结垢和沉积物。如上所述，在CO2去除系统中的循环溶液流中的痕量组分和/或水的积聚存在问题。根据本公开，CO2去除系统还包括膜净化器，其用于从系统中的循环溶液中去除痕量组分和/或水。图2中示意性地描绘了膜净化器。膜净化器17通常可包括第一隔室18和第二隔室19，其中所述第一和第二隔室由半透膜20分离。这样的膜净化器例如在水净化和水脱盐的领域中被广泛采用。膜净化器可例如被构造用于交叉流或闭塞端操作中，但通常优选交叉流构型，因为该构型允许净化器的连续操作。可商购获得用于各种用途的各种各样的膜净化器。本领域的技术人员可根据例如所需的选择性、流量和PH以及温度条件为具体应用选择合适的膜净化器。膜净化器可布置成与CO2去除系统的循环溶液液体连接，使得包含痕量组分的溶液被运送至第一隔室18并由其接纳，并且使得包含减少量的痕量组分的净化的溶液被返回至CO2去除系统的循环溶液。溶液可例如借助于CO2去除系统的内部压力被动地或者例如借助于泵主动地供应至膜净化器。被膜净化器接纳的循环溶液的量可根据膜净化器的容量和具体CO2去除系统中痕量组分和/或水去除的需求而大范围地变化。也称为选择性渗透膜、部分渗透膜或差异性渗透膜的半透膜是一种将允许某些分子或离子通过扩散而穿过它的膜。通过速率取决于任一侧上的分子或溶质的压力、浓度和温度以及膜对每种溶质的 渗透率。根据膜和溶质，渗透率可取决于溶质粒度(size)、溶解度、性质或化学性。如何将膜构造成能选择其渗透率将决定速率和渗透率。半透膜可以是合成的并可包括有机或无机材料，包括诸如金属或陶瓷、同质薄膜(聚合物)、异质固体(聚合物混合物、混合玻璃)的固体和液体。在分离工业中商业上使用最多的合成膜由聚合结构制成。膜合成中最常见的聚合物为醋酸纤维素、硝酸盐、以及，酯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯和聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯。在反渗透中使用的膜常常由聚酰亚胺或聚酰胺制成，选择这些材料主要是由于其对水的渗透性和对包括盐离子和不能被过滤的其它分子的各种溶解杂质的相对不可渗透性。已发现聚酰胺和聚酰亚胺基膜可用于膜净化器中以根据本文中所述的各种方面使用。半透膜可以以薄膜复合膜的形式提供。薄膜复合膜通常为两层或更多层材料的薄膜。在一个实施例中，半透膜包含聚酰胺或聚酰亚胺。在一个实施例中，半透膜为薄膜复合膜。在一个更具体的实施例中，半透膜为聚酰胺或聚酰亚胺基薄膜复合膜。可提及的适用于本文所述方面的半透膜的具体示例为由Dow Chemical Company提供的商标为FILMTEC(TM)的一系列膜。已经发现半透膜尤其适用于包含氨或铵的水溶液，因为可渗透水的膜常常也呈现出对氨和/或铵的渗透性。因此，本文所述系统的膜净化器允许从系统中去除积聚的痕量组分，同时最小化氨从系统的损失。
膜净化器通常包括第一和第二隔室，其中所述第一和第二隔室由半透膜分离。第一隔室可构造成从系统接纳溶液并使溶液与半透膜接触。膜净化器的第二隔室构造成通过半透膜接纳来自第一隔室的溶液的渗透物。第一隔室中的所得溶液被称为渗余物，第二隔室中的所得溶液被称为渗透物。渗透物可有利地在冷冻氨工艺中重复使用。因此，在一个实施例中，膜净化器的第二隔室还构造成将渗透物返回至从中接纳渗透物的循环溶液流。其中杂质已浓缩的渗余物通常从系统中被去除和丢弃。然而，根据渗余物的实际组成，可考虑进一步的处理。例如，根据例如硫酸盐和氯离子的浓度可需要通过注碱或通过在工艺中的重复使用例如利用氨的中和作用。备选地，渗余物可在对杂质较不敏感的系统的部分中被重复使用。在一些实施例中，膜净化器还可包括再循环回路，其构造成将离开第一隔室的渗余物的一部分返回并与进入第一隔室的溶液结合以用于在膜净化器中的额外处理。这样的再循环回路可包括连接第一隔室的出口与第一隔室的入口的液体导管以及用于控制将被再循环的渗余物的量的流量调节装置。在图3a中示意性地描绘的一个实施例中，膜净化器17在系统的CO2捕获分段2中被实现。在该实施例中，膜净化器构造成接纳在CO2吸收器4和再生器5之间循环的含氨溶液的至少一部分。含氨溶液可以是经由液体导管7a从液体导管7接纳的“贫”含氨溶液。膜净化器17构造成接纳进入第一隔室18的溶液，使得溶液与半透膜20接触。半透膜可以是聚酰胺或聚酰亚胺基薄膜复合膜，例如FILMTEC (TM)膜。水、氨和铵离子至少部分地通过膜扩散，而诸如金属离子、氯、硫酸盐和/或硝酸盐的较大离子不穿过膜。主要为水、氨和铵离子的渗透物被收集在第二隔室19中并且例如在再生器5的底部处或经由液体导管7b在液体导管7中返回至循环含氨溶液。包含浓缩的痕量组分的渗余物被丢弃或在工艺中重复使用。可选地，膜净化器还可包括再循环回路，其构造成将离开第一隔室18的渗余物的一部分返回并与进入第一 隔室18的溶液结合以用于在膜净化器中额外处理。这样的再循环回路可包括连接第一隔室的出口与第一隔室的入口的液体导管21以及用于控制将被再循环的渗余物的量的流量调节装置22。在图3b中示意性地描绘的一个实施例中，膜净化器17在系统的水洗分段11中被实现。在该实施例中，膜净化器构造成接纳在氨吸收器12和氨汽提塔13之间循环的洗涤溶液的至少一部分。洗涤溶液可以是从氨汽提塔的底部或经由液体导管16a从液体导管16接纳的洗涤溶液。膜净化器17构造成接纳进入第一隔室18的洗涤溶液，使得溶液与半透膜20接触。半透膜可以是聚酰胺或聚酰亚胺基薄膜复合膜，例如FILMTEC (TM)膜。水、氨和铵离子至少部分地通过膜扩散，而诸如金属离子、氯、硫酸盐和/或硝酸盐的较大离子不穿过膜。主要是水的渗透物被收集在第二隔室中并且例如在氨汽提塔的底部处或经由液体导管16b在洗涤溶液导管中返回至循环洗涤溶液。包含浓缩的痕量组分的渗余物被丢弃。可选地，膜净化器还可包括再循环回路，其构造成将离开第一隔室18的渗余物的一部分返回并与进入第一隔室18的溶液结合以用于在膜净化器中额外处理。这样的再循环回路可包括连接第一隔室的出口与第一隔室的入口的液体导管21，以及用于控制将再循环的渗余物的量的流量调节装置22。
本发明的优点:
膜净化器的能量要求非常低并且主要与泵送进料流有关。避免了间歇的气体产物流。由于不需要加热，不需要热联合使得运营更经济。没有公用系统(蒸汽、冷却等)的独立操作是可能的。此外，膜净化器允许在诸如汽提塔底部、水洗底部和贫溶液的不同进料溶液之间的切换。相比附属汽提塔，膜净化器需要显著少的设备和公用系统接头。膜净化器具有占有面积减少和更低的投资成本的潜力。例如，用于工业应用的一个膜(在约1X0.1m的卷模块中的7.6m2的膜面积)将能够净化约3001/hr。由于低操作温度(可能为环境温度)，与例如在汽提塔中的更高温度相关联的腐蚀问题显著减少。此外，例如由硫酸盐分解形成的硫化合物的不期望汽提是不可能的。应当强调的是，本发明的上述实施例，特别是任何“优选”实施例，仅仅是具体实施的可能的例子，仅仅为了清楚了解本发明的原理而被阐述。在大致不脱离本发明的精神和原理的情况下，可对本发明的上述(多个)实施例做出许多变型和修改。所有此类修改和变型意图在本公开和本发 明的范围内包括在本文中且受所附权利要求书的保护。
权利要求
1.一种用于通过使气体流与循环含氨溶液流接触使得二氧化碳(CO2)在所述含氨溶液中被吸收而从所述气体流去除CO2的系统(I)， 其特征在于，所述系统包括膜净化器(15)，所述膜净化器具有第一隔室(16)和第二隔室(17)，其中，所述第一隔室和第二隔室由半透膜(18)分离。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括: 捕获分段(2)，其构造成使用含氨溶液从所述气体流吸收CO2 ;以及 再生分段(3)，其构造成从所述含氨溶液去除C02。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述捕获分段包括CO2吸收器(4)，所述CO2吸收器(4)构造成接纳含CO2的气体流并使所述气体流接触含氨溶液流以形成富CO2的含氨溶液流；以及 所述再生分段，其包括再生器(5)，所述再生器(5)构造成从所述CO2吸收器接纳富CO2的含氨溶液流，并 且将CO2从所述含氨溶液分离以形成贫CO2的含氨溶液流，并且将所述贫CO2的含氨溶液流返回至所述CO2吸收器。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括水洗分段(11)，以用于通过使所述气体流接触循环洗涤溶液流使得氨在所述洗涤溶液中被吸收而从所述气体流去除氨，所述系统包括: 氨吸收器(12)，其构造成使用洗涤溶液从所述气体流吸收氨；以及 氨汽提塔(13)，其构造成从所述洗涤溶液去除氨。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述氨吸收器构造成从所述CO2吸收器接纳消耗掉CO2的气体流并使所述气体流接触洗涤溶液流使得氨在所述洗涤溶液流中被吸收；并且 所述氨汽提塔构造成从所述氨吸收器接纳包含吸收的氨的洗涤溶液并从所述洗涤溶液去除氨。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述膜净化器的第一隔室构造成从所述系统接纳循环溶液中的至少一部分，使得所述溶液接触所述半透膜。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述循环溶液选自所述捕获或再生分段的循环含氨溶液和所述水洗分段的循环洗涤溶液。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述循环溶液为所述捕获或再生分段的循环含氨溶液。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述循环溶液为所述循环洗涤溶液。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述膜净化器的第二隔室构造成通过所述半透膜从所述第一隔室接纳所述循环溶液的渗透物。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述膜净化器的第二隔室构造成将所述循环溶液的渗透物返回至所述系统。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述膜净化器的第二隔室构造成将所述循环溶液的渗透物返回至从中接纳所述渗透物的循环溶液。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述半透膜可渗透水和/或氨和/或铵离子并且不可渗透金属离子、氯化物、硫酸盐和/或硝酸盐。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述半透膜包含聚酰胺或聚酰亚胺。
15.一种用于通过使气体流与循环含氨溶液流接触使得二氧化碳(CO2)在所述含氨溶液中被吸收而从所述气体流去除CO2的方法，所述方法包括以下步骤: 使用半透膜将痕量组分从循环溶液分离。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，包括: a)使含氨溶液流与含CO2的气体流接触以形成富CO2的含氨溶液流； b)从步骤a)的所述富CO2的含氨溶液流去除所述CO2中的至少一部分，以形成贫CO2的含氨溶液流； c)将步骤b)中形成的所述贫CO2的含氨溶液中的至少一部分再循环至步骤a)，并且由以下步骤来表征: d)使用半透膜将痕量组分从所述循环含氨溶液分离。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，包括: al)使洗涤溶液流与含氨的气体流接触，以形成富氨的洗涤溶液流； bl)从步骤al)的所述富氨的洗涤溶液流去除所述氨中的至少一部分，以形成贫氨的洗涤溶液流；以及 Cl)将步骤bl)中形成的所述贫氨的洗涤溶液中的至少一部分再循环至步骤al)，并且由以下步骤来表征: dl)使用半透膜将痕量组分从所述循环洗涤溶液分离。
18.具有第一和第二隔室的膜净化器在用于使用循环含氨溶液去除二氧化碳(CO2)的方法或系统中用于减少循环溶液流的痕量组分和/或水含量的用途，其中，所述第一和第二隔室由半透膜分离。
全文摘要
一种用于通过使气体流与循环含氨溶液流接触使得二氧化碳(CO2)在所述含氨溶液中被吸收而从该气体流去除CO2的系统(1)，其特征在于，所述系统包括膜净化器(17)，所述膜净化器具有第一隔室(18)和第二隔室(19)，其中所述第一和第二隔室由半透膜(20)分离，一种用于通过使气体流与循环含氨溶液流接触使得二氧化碳(CO2)在所述含氨溶液中被吸收而从该气体流去除CO2的方法，所述方法包括使用半透膜将痕量组分从循环溶液分离的步骤，以及具有第一和第二隔室的膜净化器在用于使用循环含氨溶液去除二氧化碳(CO2)的方法或系统中用于减少循环溶液流的痕量组分和/或水含量的用途，其中所述第一和第二隔室由半透膜分离。
文档编号B01D53/96GK103228340SQ201180056425
公开日2013年7月31日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月23日
发明者J.K.博克曼, M.科赫 申请人:阿尔斯通技术有限公司