使用太阳能的气体净化和相关系统及方法与流程

相关申请的交叉引用

本非临时申请要求了于2014年10月23日提交的，申请号为62/067,826，发明名称为“使用太阳能的气体净化以及相关系统和方法”的临时申请的权益，其全部公开内容通过引用并入本申请中。

本技术一般指的是净化气体技术，包括生成并储存用于净化气体的太阳能的系统及方法。

背景技术：

太阳能已被收集以促进各种工业过程。图1是根据现有技术的一种用于生成太阳能加热的蒸汽的系统100的示意图。在图示的系统100中，太阳能集中器阵列11和燃料蒸汽发生器13可以接收水箱17中的水。太阳能集中器阵列11能加热进水流，如果可获得充足的日照，那么可以产出具有所需流速及温度的蒸汽流12。如果太阳能集中器阵列处的日照不足以产生输出蒸汽的所需流速或温度，那么燃料蒸汽发生器13会产生蒸汽流14，当其与蒸汽流12混合时，会产生具有所需参数的组合蒸汽流15。可用泵18和阀门16控制蒸汽流12、14、15的流速和/或温度。

尽管图1所示的系统可适用于一些工业过程，但它不足以处理某些特殊的过程，包括具有额外的应用特定的变量的气体净化过程。

附图说明

图1是根据现有技术的一种用于生成蒸汽的系统的示意图。

图2是一种太阳能集中器阵列在一年中产生的蒸汽流的代表图。

图3是一种太阳能集中器阵列和其他蒸汽源组合产生的蒸汽流的代表图。

图4是根据本公开技术的实施例中的气体净化系统的示意图。

图5是根据本公开技术的实施例中的具有溶剂储存容器的气体净化系统的示意图。

图6是根据本公开技术的实施例中的具有蓄热单元的气体净化系统的示意图。

图7是根据本公开技术的实施例中的具有富、贫溶剂储存单元的气体净化系统的示意图。

图8是根据本公开技术的实施例中的气体净化系统的示意图。

图9是根据本公开技术的实施例中的水/蒸汽过程的温度/焓图，在该过程中能量和蓄热单元进行交换。

具体实施方式

下文具体详细地描述各代表性气体净化系统及方法的若干个实施例。本发明技术可用于气体处理厂、化学处理厂、气体精炼厂、气田和/或其他合适应用。例如，可以使用本发明技术的实施例以降低气体净化过程中的化石燃料耗量和减少意外变化。相关领域技术人员也会明白本文公开技术可能具有的额外的实施例，而且即使不具有下文参考图2-图9所述的实施例的若干细节也可以实施本技术。

通常，气体净化系统包括吸收容器，在该吸收容器处，存在于输入气体中的杂质(例如co2、h2s)会倍吸收至溶剂中。该吸收过程生成被净化的气体(例如“脱硫气体”)和含有被吸收杂质的溶剂(例如“富”溶剂)。通过释放被吸收的杂质，可以在再生容器中再生富溶剂。该再生过程产生不含杂质或具有杂质减量的溶剂(例如“贫”溶剂)，而且所释放的杂质然后可以从再生容器中排出(例如以“酸性气体”的形式)。可以将贫溶剂返回吸收容器以吸收来自额外输入气体中的额外杂质，并循环重复该操作。对于溶剂/杂质的典型组合，从到达溶剂中释放杂质是吸热过程，因此需要外部能量来进行持续操作。此外，对再生容器的热能的稳定供应一般会产生更高效的过程。这是因为一般化学过程的经济性会随着过程的稳定性而提高。

在本技术的一些实施例中，再生过程所需的外部能量由太阳能集中器(例如，通过水蒸气的产生)提供。太阳能集中器的能量产生取决于日照，其本质上是周期性的(例如白天/夜晚、晴天/多云、冬天/夏天等等)，因此通常不能产生热能的稳定供应(例如蒸汽的稳定供应)。所以，在本技术的一些实施例中，通过将热能储存在蓄热单元中和/或将溶剂储存在溶剂储存容器中，可以降低或消除太阳能集中器产生热能的意外可变性。

本公开方法及系统实现了成本效益且稳健的气体净化过程。与传统气体净化系统相比，本技术可以考虑到吸收容器处富溶剂的生产率，其不会与再生容器处使用的热能同步或匹配。例如，太阳能集中器产生的通常不稳定的蒸汽流能与燃料蒸汽发生器产生的蒸汽流结合，以产生一般恒定或至少更稳定的蒸汽流，其作为再生容器的热能来源。此外，当太阳能集中器处的日照相对较高时，太阳能集中器产生的过量热能(和/或燃料蒸汽发生器产生的过量热能，如有)会被储存在一个或多个蓄热单元中。反之，当日照相对较低时(例如，夜间、多云天气、冬天等等)，所储存的热能可以被导入到再生容器中，以促进恒速或接近恒速的溶剂再生。

在本技术的一些实施例中，将富和/或贫溶剂临时储存在储存容器中，可以保持和/或提高气体净化过程的稳定性、持续性和/或均匀性(例如，温度、流速、传热速率、质量传递速率和/或其他过程变量)。例如，如上所解释的，当太阳能集中器阵列的蒸汽产生相对较低时(例如，当日照低时)，再生容器的处理容量可能会减少，并因此可能会降到低于吸收容器的处理容量。当出现失配时，在本技术的一些实施例中，通过将一部分富溶剂储存在一个或多个富溶剂容器中，吸收容器仍能维持相对稳定的净化气体的生产，从而降低当前流入再生容器的富溶剂的流速。作为这种安排的补充或替代，如果再生容器(或容器)的处理容量超过相应的吸收容器(例如当太阳日照大时)的富溶剂输出量，那么来自再生容器的贫溶剂的过量流量可以被储存在一个或多个贫溶剂储存容器中。因此，输入到吸收容器中的贫溶剂的流量会更好地与吸收容器的容量相匹配。在一些实施例中，控制器控制从富溶剂储存容器流入再生容器的富溶剂和/或从贫溶剂储存容器流到吸收容器的贫溶剂的流量和/或流速，所以不管太阳能集中器阵列处热能的产生发生如何变化，都能维持或提高脱硫气体生产的稳定性。

下文所述技术的许多实施例可以采用计算机或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域技术人员将理解，该技术可以在除了下面示出和描述的以外的计算机/控制器系统上实现。该技术可在经过特别编程、配置或构造的专用计算机、控制器或数据处理器中体现，以便执行下文所述的一个或多个计算机可执行指令。因此，本文中通用的术语“计算机”和“控制器”指的是任意数据处理器且可包括联网家电和手持装置(包括掌上计算机、可穿戴式计算机、蜂窝或移动电话、多处理器系统、基于处理器或可编程的消费电子设备、网络计算机、迷你计算机等等)。这些计算机处理的信息可在任意合适的显示媒介上呈现，包括阴极射线管(crt)显示器或液晶显示屏(lcd)。

该技术也可在分布式环境中实施，其中任务或模块由通过通信网络链接的远程处理装置实施。在分布式计算环境中，程序模块或子程序可能位于本地或远程记忆存储装置中。下文所述技术的各个方面可以被存储或分布在计算机可读介质上，包括磁性或光学可读或可移动计算机磁盘以及通过网络电子分发。尤其技术方面的数据结构和数据传输也被包括在本技术实施例的范围内。

图2为太阳能集中器阵列一年中产生的蒸汽流的代表图200。蒸汽流线21示出了蒸汽量(桶/每天)作为时间的函数。如图所示的太阳能集中器阵列，低蒸汽流时期对应冬天月份(所示位置大约十一月份至二月份)。冬天月份的日常峰值蒸汽流约为每天50个蒸汽桶。该日常峰值蒸汽流被接近零蒸汽流时期打断，例如，从大约1月15号到大约1月29号。所示的系统在夏天月份(所示位置大约从五月底至七月底)的最大日常蒸汽流是约为每天190个蒸汽桶。然而，即使在该峰值蒸汽流其间，流量也可能会由于多云、降雨、沙尘暴等而降至每天约25个蒸汽桶。因此，太阳能集中器阵列所产生的蒸汽流的季节性及日常可变性可能会相当高。

图3是一种太阳能集中器阵列和其他蒸汽源(例如，燃料蒸汽发生器或蓄热单元中存储的能量)组合产生的蒸汽流的代表图300。水平轴与垂直轴都与图2所示图相同。在所示的实施例中，蒸汽流线21独自对应太阳能集中器阵列的输出，组合蒸汽流线31对应太阳能集中器阵列和其他蒸汽源的组合输出。组合蒸汽流线31对应每天相对稳定的200桶。在至少一些实施例中，组合蒸汽流线31能呈现一般等温蒸汽流。如上所述，相对稳定的蒸汽流，包括等温蒸汽流，一般会提高气体净化过程的经济性，而且至少是由于该过程效率的提高。

图4是根据本公开技术的实施例被配置的气体净化系统400的示意图。输入气流471(例如，甲烷、乙烷、丁烷、丙烷流和/或其他合适的气体或气体组合)可包括在进一步处理气体或将气体运送给消费者之前不期望的杂质(例如，co2和/或h2s)。输入气流471的源470可以为气体储存容器、气田和/或另外合适的气体贮藏库。气体净化系统400可包括通过管道、导管和/或其他流体元件连接至再生容器450的吸收容器460。在一些实施例中，吸收容器460和/或再生容器450可以是促进两种或多种物质间质量交换的立柱，于其他实施例中，吸收/再生容器可具有其他配置。

在进入吸收容器460后，输入气流471与选择用于吸收来自输入气流471中杂质的溶剂(例如，在溶剂区域)相接触。合适的溶剂的代表性示例为二乙醇胺(dea)、单乙醇胺(mea)、甲基二乙醇胺(mdea)、二异丙醇胺(dipa)和氨基乙氧基乙醇(二甘醇胺或dga)，于其他实施例中，溶剂可具有其他组分。在任一上述实施例中，第一或进入的溶剂流451可以进入吸收容器460，从输入气流471中至少部分吸收杂质。被净化的或至少部分被净化的气体可以从吸收容器460作为净化的气体流472(例如，“脱硫气体”流)导出，也可以，例如，导至另一气体处理装置、燃烧器或储存和/或运输设施。

如上所解释，第一溶剂流451从输入气流471中吸收和/或以其它方式从输入气流471中接收至少一些杂质。当溶剂不含所吸收的杂质或含有很小量的杂质时，它有时被称为“贫溶剂”，而当溶剂被所吸收的杂质饱和或包含相当量的吸收杂质时，它有时被称为“富溶剂”。从输入气流471中吸收一定量的杂质后，将溶剂从吸收容器460中导出作为第二或流出溶剂流461(例如，富溶剂流)，然后进入再生容器450。在本技术的一些实施例中，将再生容器450中的溶剂(例如，富溶剂)加热以释放一些或全部所吸收的杂质(例如，在再生区域处)。所释放的杂质可以作为气体流452(例如，“酸性气体”流)从再生容器450中导出。在释放一些或全部所吸收的杂质后，溶剂可以作为第一溶剂流451(例如，贫溶剂流)导回到吸收容器460，以从输入气流471中吸收额外杂质，并重复此循环。

对于至少一些溶剂/杂质的组合物，由于再生过程是吸热的(即，过程需要热量来进行)，所以通过能量的外部来源来提高再生容器450处气体杂质的释放。在本技术的一些实施例中，可以通过结合太阳能集中器410和燃料蒸汽发生器420的输出来提供外部热量。太阳能集中器410可包括将太阳辐射集中到一个或多个对应的接收器414上的一个或多个集中器413。接收器414携带水或其他合适的工作流体。集中器413产生聚焦、集中的能量能够足以使工作流体产生从液体到气体的相变，例如，从水到蒸汽。该蒸汽可作为第一蒸汽流411流出太阳能集中器410。于一些实施例中，太阳能集中器413处的日照可足够充分以增加流入接收器414中的水温，但不足以产生水到蒸汽的相变。因此，阀门412可用于降低或增加工作流体的流量，例如，使进水流量匹配或至少部分地匹配可用的日照以产生蒸汽。于其他实施例中，蒸汽可从分离器处的加热水中分离出来，加热水可返回接收器414中用于进一步加热。

太阳能集中器阵列的蒸汽产生可由燃料蒸汽发生器420来补充/平衡。例如，燃料蒸汽发生器420可以燃烧化石燃料以生成第二蒸汽流421，并且可以将第一蒸汽流411和第二蒸汽流421组合以形成组合的蒸汽流430，其被导向再生器450中。通过控制进入燃料蒸汽发生器420的来水流速，阀门422可以至少部分地控制第二蒸汽流421。如关于图3所解释的，通过组合太阳能集中器阵列410和燃料蒸汽发生器420的输出流，系统400可以产生组合的蒸汽流430，其一般是等温的和/或一般处于恒定流速下。

如上所解释的，在本技术的至少一些实施例中，由于释放过程是吸热的，外部热量使来自再生容器450的溶剂的杂质持续释放。通过将来自组合的蒸汽流430的热能通过再生器换热器440传递给再生器中的溶剂流453，可以提供所需的热量。溶剂流453可以在第一、低温下流出再生容器450并流入再生器换热器440，然后在接收来自再生器换热器440中的组合的蒸汽流430的热量后，在第二、高温下流出再生器换热器440，再返回再生容器450。通常流速恒定的一般等温蒸汽流430会使传递给流经换热器440并再进入再生容器450的溶剂的大体稳定的热量，这就提高了气体净化过程的经济性。在流出再生器换热器440后，组合蒸汽流430可以在降低的温度下随水、水汽组合物或蒸汽返回燃料蒸汽发生器420和/或太阳能集中器阵列410，以接收来自太阳能收集器阵列410和/或燃料蒸汽发生器420的额外能量，并继续此循环。

图5是根据本公开技术的实施例配置的具有溶剂储存容器510的气体净化系统500的示意图。在本实施例的一个特别方面中，除去了上述参考图4所述的燃料蒸汽发生器420。为表达简便，气体净化系统500中与图4所示的气体净化系统400相似或基本相似的一些元件在此处并未详细说明。在气体净化系统500中，热量(例如通过热路径)从第一蒸汽流411传递给再生器换热器440处的溶剂流453。溶剂流453接收的此热量可以促进气体杂质从再生容器450处溶剂中释放，例如，由于杂质在更高温度下更容易从溶剂中分离出来。如上所解释的，由于太阳能收集器阵列410处日照的可变性，第一蒸汽流411的流速和/或温度也可能不同。因此，从第一蒸汽流411传递给溶剂流453并进一步到再生容器450的热量一般也会不同。供给再生容器450的外部热量的这种可变性会导致再生容器450的处理能力的相应的可变性。例如，当通过换热器440的可用的外部热量较少时，再生容器450处产生的酸性气体452和再生溶剂也较少。相反，当通过换热器440的可用的外部热量较多时，再生容器450处产生的酸性气体452和再生溶剂也较多。一般来说，当流入再生容器450的富溶剂的流速对应或至少大约对应换热器440处外部热量的流速时，过程的经济性会提高。换言之，当从溶剂中释放成分所需能量的速度至少大约匹配供给再生容器450的能量(例如热量)的速度时，过程的经济性会提高。

在本技术的一些实施例中，再生容器450的容量可以通过富溶剂储存容器510与换热器440的容量更紧密地匹配。例如，当可用于再生容器450的热量相对较少(例如，当日照较低)时，一部分富溶剂流461可以被收集到富溶剂储存容器510中。反之，当再生容器450可使用的热量相对较高(例如，当日照较高)时，富溶剂储存容器510处收集的相应的富溶剂562流可以被释放到再生容器450中。因此，换热器440处的外部热量的可用性与再生容器450处的外部热量的消耗量更紧密地匹配，并且一般过程的经济性会提高。

图6是根据本公开技术的实施例被配置的具有蓄热单元620的气体净化系统600的示意图。如参照图5所解释的，第一蒸汽流411(或第一蒸汽流411所携带的能量)一般和入射到太阳能集中器阵列410上的日照成函数变化关系。在本技术的一些实施例中，当太阳能集中器阵列410处日照相对较高时，例如超过再生容器450处消耗热能的速度时，蓄热单元620可以储存热能。反之，当日照相对较低时，储存在蓄热单元620处的热能可被用于补充太阳能集中器阵列410的蒸汽产生，从而提高通过换热器440供给再生容器450的组合蒸汽流611的稳定性。例如，没有蓄热单元620，蒸汽的流速和/或温度会更恒定。通过阀门612、613控制直接供给换热器440和/或蓄热单元620的蒸汽量。

在本技术的一些实施例中，可将来自太阳能集中器阵列410的输出蒸汽流621导到蓄热换热器610以与工作流体流625进行热交换。工作流体流625可与蓄热单元620进行热交换。在蓄热换热器610处的工作流体流625进行热交换后(例如，当日照较高时将热量传递给工作流体流625，当日照较低时将热量从工作流体流625中传出)，蒸汽流621可与第一蒸汽流411组合以形成一般比采用同等太阳能集中器阵列410产生的相应蒸汽流更稳定的组合蒸汽流611，但不采用蓄热单元620。如上所解释，再生器换热器440处的组合蒸汽流611的提高的稳定性能可以提高气体净化过程的经济性。在一些实施例中，可以使用多个蓄热单元620和/或多个蓄热换热器610。在一些实施例中，不通过蓄热换热器610，蒸汽流621也可向/从蓄热单元620传递热量，例如，将蒸汽流621导入和导出蓄热单元620。

在一些实施例中，蓄热单元620可以是传感蓄热单元，例如，增加热量不会导致蓄热单元处的蓄热元件的相变的蓄热单元。例如，蓄热单元620可包括紧密间隔开的混凝土元件，其为工作流体625或蒸汽流621形成流道。一般来说，混凝土能承受较高温度，例如超过300℃，因此能够在不改变相位的情况下，每单位体积储存相对较大量的热能。工作流体流625可以是油流，其可以承受高温(例如，超过300℃)。此外，如果混凝土板相对较薄，板块升温/降温相对较快，因此使得蓄能单元充能/排能也相对较快。在其他实施例中，蓄热单元620可包括加热/冷却时经历相变的材料，例如，当给单元增加热量时熔化和从单元中取出热量时凝固的盐。名称为“用于太阳能蒸汽发生的蓄热装置和相关系统及方法”的美国临时申请62/067826中所述的合适的蓄热单元的更多细节并入本文作参考。在前述申请和/或并入本文作参考的任何其它材料与本公开内容相冲突的情况下，以本公开为准。

图7是根据本公开技术的实施例的具有富、贫溶剂储存单元的气体净化系统700的示意图。在气体净化系统700中，太阳能集中器阵列410产生的第一蒸汽流411和燃料蒸汽发生器420产生的第二蒸汽流421可以组合以形成具有更低流速和/或可变温度的组合蒸汽流430。取决于用于燃料蒸汽发生器420的燃料成本，在一些实施例中，如果(例如)能降低或消除脱硫气体472产生过程中导致的可变性，可能在经济上更有利于容纳组合蒸汽流430中的一些可变性。富、贫溶剂储存单元的组合可以提供此功能。

在特定实例中，当组合蒸汽流430具有相对较高的流速和/或温度(例如蒸汽流430具有相对较高的热能)时，再生容器450中的溶剂再的生会相对较快，导致酸性气体流452和贫溶剂流451相对较大。如果组合蒸汽流430具有相对较低的流速和/或温度，那么情况相反。因此，当组合蒸汽流430具有相对较高的流速和/或温度时，可以将流出再生容器450的一部分贫溶剂流451储存在一个或多个贫溶剂储存容器720a-c中，同时剩余的贫溶剂流451被导到吸收容器460中。例如，流出再生容器450的所有贫溶剂能进入贫溶剂储存容器720a-c，其中一些剩余或积存，一些被导到吸收容器460中。因此，储存的贫溶剂可用于增加贫溶剂流453，并且因此例如当组合蒸汽流430的能量相对较低时，增加吸收容器460处贫溶剂的可用性。作为这种安排的补充或替代，当组合蒸汽流430的能量相对较低时(例如，组合蒸汽流430具有相对较低的流速和/或温度的能量)，一个或多个富溶剂储存容器510a-c可用于储存一部分富溶剂流461。反之，当组合蒸汽流430的能量相对较高时，可将额外富溶剂从富溶剂储存容器510a-c中加入到富溶剂流562。储存/释放富和/或贫溶剂的过程促使脱硫气体流472更稳定，反过来尽管组合蒸汽流430不必须恒定，过程的经济性都得以提高。

气体净化系统700可包括提高整个过程效率的过程换热器741。通常，比起再生容器450中的相应再生过程，吸收容器460处的吸收过程是在更低的温度下进行的。因此，流出吸收容器460的富溶剂流461一般比流出再生容器450的贫溶剂流451的温度更低。此外，如上所解释的，再生容器450处的再生过程是吸热的，需要外部热外部能量来进行。因此，在本技术的一些实施例中，来自流出再生容器450的贫溶剂流451的热量能被传递给在过程换热器741处流入再生容器450的富溶剂流461，以减少再生器换热器440处所需的热能总量。换热器741处的热传递能进一步提高该过程的经济性。

图8是根据本公开技术的另一实施例被配置的具有控制器830的气体净化系统800的示意图。该系统800包蓄热单元620和上述富/贫储存容器510a-c/720a-c。运行时，通过储存/提取蓄热单元620中的热能，组合蒸汽流811的流量和/或温度可以更稳定。还有，通过储存/释放一个或多个储存容器510a-c/720a-c中的富/贫溶剂可以进一步稳定净化的气体流472。控制器830可操作地链接到系统部件(例如，到一个或多个阀门412、422、612、622和613)以控制蒸汽流的流速。控制器830可具有附加链接831(为清晰图示，图中未示出)，以控制进出富/贫储存容器的贫/富溶剂的流量。控制器830可包括非易失性指令，执行时，使得通过阀门和/或泵(未示出)调节过程中流量的流速。

图9是根据本公开技术的实施例的水/蒸汽过程的温度/焓图900，在该过程中蓄热单元进行热交换。该图900示出了水平轴上水/蒸汽的焓值和垂直轴上水/蒸汽的温度。在图示实施例中，在大约110℃的焓值h1和温度t1(压力足以超过大气压以保持水的沸点温度高于110℃)下，水可以进入，例如，太阳能集中器阵列或燃料蒸汽发生器。首先将水加热到其饱和温度ts以获得升高的焓值h1。然后，水经历相变以产生温度为ts和焓值为hs的蒸汽，接着另外加热到大约300℃的温度t3和焓值h3。通过蓄热换热器单元或直接接触蓄热单元，在大约300℃时(或更高)离开太阳能集中器阵列和/或燃料蒸汽发生器的蒸汽可以将能量传递给蓄热单元。对于图示的水/蒸汽的参数，蓄热单元中产生的温度(例如，蓄热单元内的混凝土块或板的温度)可升高至300℃。因此，蓄热单元的温度可以高于流经太阳能集中器阵列和/或燃料蒸汽发生器的水的饱和温度的两倍。与传统的发电厂相比，其中换热器被配置为在接近蒸汽饱和温度的温度范围内操作，例如从大约110℃(t1，h1)到大约130℃(t2，h2)。

如前所述，文中所述本技术的特定实施例仅用于示例性说明，但也可在不脱离本技术的前提下进行各种修改。此外，虽然上文已经在这些实施例的上下文中描述了与某些实施例相关联的各种优点和特征，但是其它实施例也可以表现出这样的优点和/或特征，而并非所有实施例都必须表现出这样的优点和/或特征以落入本技术的范围内。因此，本申请可包括本文中未清晰描述的其它实施例。权利要求书提供了本发明技术的进一步实施例。