基于氨的二氧化碳减排系统和方法及其直接接触式冷却器与流程

本发明的实施方案整体涉及用于减少来自烟道气或其他二氧化碳源的二氧化碳排放的技术，并且更具体地涉及用于基于氨的二氧化碳减排(即，用于从烟道气中移除二氧化碳)的系统和方法。

背景技术：

1、世界上使用的大部分能量来源于含有碳和氢的燃料诸如煤、石油和天然气(化石燃料)的燃烧。除了碳和氢之外，这些燃料还含有氧、水分和污染物诸如灰分、硫(通常呈硫氧化物的形式，称为sox)、氮化合物(通常呈氮氧化物的形式，称为nox)、氯、汞和其他微量元素。

2、关于燃烧期间释放在大气中的污染物的破坏作用的认识触发了对来自发电厂、精炼厂和其他工业过程的排放实施越来越严格的限制。对于此类设备的操作者而言，实现污染物的接近零排放的压力增加。

3、在用于发电或用于生产材料诸如水泥、钢和玻璃等的燃料诸如煤、石油、泥炭、废物、生物燃料、天然气等的燃烧中，产生了热烟道气流。除了其他污染物质之外，热烟道气含有大量二氧化碳(co2)，其导致所谓的温室效应和相关的全球温度升高。

4、已经开发出旨在减少污染物排放的许多系统和工艺。这些系统和工艺包括但不限于脱硫系统、颗粒过滤器以及使用从烟道气中吸收污染物的一种或多种吸附剂。吸附剂的示例包括但不限于活性炭、氨、石灰石等。

5、已经表明氨有效地从烟道气流中移除二氧化碳以及其他污染物，诸如二氧化硫和氯化氢。在一个特定的应用中，用氨从烟道气流中吸收和移除二氧化碳在低温下进行，例如在0℃与20℃之间。这些系统基于所谓的冷氨工艺(简称为cap)。为了保护系统的效率并符合排放标准，期望将氨维持在烟道气流处理系统内，即不应将氨释放到大气中。

6、在现有技术的cap系统中，在已经在二氧化碳吸收器中从烟道气流中移除co2之后，烟道气含有从二氧化碳吸收器中使用的溶剂中放出的大量氨。为了限制氨损失，cap技术的特征在于所谓的氨洗涤区段(nh3洗涤)，也称为水洗涤站。水洗涤站或nh3洗涤区段包括填充床塔，在填充床塔中，烟道气与水流直接接触。为了提高从烟道气中移除nh3的性能，可使用合适的酸如硫酸预先调节水流的ph。然后，离开nh3洗涤的富氨水在专用塔系统—汽提器塔中再生，在汽提器塔中，水和氨被分离。水被路由到直接接触式加热器，氨被再循环回到二氧化碳吸收器。

7、直接接触式加热器是加热流出nh3洗涤的烟道气的另一个塔。这具有两个效果：产生在直接接触式冷却器中使用的冷水流；以及将烟道气加热至其在烟囱处分散所需的最低温度。馈送到直接接触式加热器的水来自直接接触式冷却器。

8、当离子溶液在co2捕获系统与再生系统之间循环时，烟道气中的水分可积聚在离子溶液中。为了从离子溶液移除这种水分，被配置为气液接触装置的附属汽提器接收一部分循环离子溶液。在该装置中，将温的离子溶液减压以形成含有溶液的低沸点组分(主要是氨和二氧化碳)的蒸气的气相和含有溶液的高沸点组分的液相。一部分气相化合物被吸收在残余烟道气汽提介质中并返回到冷氨工艺吸收器容器中。含有硫酸铵的液相被送至直接接触式冷却器系统，以用于用硫酸铵排出流吹扫。

9、现有技术的cap需要相当大量的蒸气以用于汽提器系统的操作。

10、类似的问题出现在其他基于氨的co2减排或捕获系统和方法中，例如在使用氨和碳酸钾或氢氧化钾的系统中。

11、为了减少这种蒸气需求，进行了若干努力和研究。最有希望的思想之一是使用引入的烟道气作为汽提剂。在其他应用领域中，开发了氨减排策略(参见例如：ep 0 885 843a1)。这些被认为建立了基本思想的背景，如也在kangkang li、hai yu、moses tade、paulferon、jingwen yu和shujuan wang所著论文“process modeling of an advanced nh3abatement and recy-cling technology in the ammonia-based co2 capture process”中所概述的。作者只是将背景的基于磷酸盐的原理转移到基于碳酸盐的反应系统。然而，作者没有解决与处理实际烟道气流相关联的问题。由于来自燃烧过程的烟道气尽管含有氮、二氧化碳和氧，但通常还含有水加上微量组分如硫氧化物、一氧化二氮和固体物质，因此功能性方法和系统必须覆盖所有这些物类的管理。

12、例如在us2018/0169569中公开了用于基于cap的二氧化碳移除的增强型设备和方法，其内容以引用方式并入本文。

13、当前的cap技术仍有待于进一步开发以实现改进的效率，例如就该工艺中所涉及的能量消耗和材料的有效处理而言。

技术实现思路

1、根据一个方面，本文公开了一种用于基于氨的二氧化碳减排系统的直接接触式冷却器。该直接接触式冷却器包括从烟道气入口延伸到烟道气出口的烟道气流路径。该直接接触式冷却器还包括沿着烟道气流路径设置的第一处理区段和第二处理区段。第一处理区段适于通过烟道气流从富氨洗涤水流中汽提氨，使得氨从富氨洗涤水流中移除并且在接下来的第二处理区段中被烟道气抽吸。

2、第二处理区段适于冷却离开第一处理区段的富氨烟道气流，使得在直接接触式冷却器的出口处获得处于用于二氧化碳移除的正确温度的冷的富氨烟道气。

3、第一处理区段沿着烟道气流路径相对于烟道气流布置在第二处理区段的上游。此外，直接接触式冷却器包括富氨洗涤水入口和贫氨洗涤水出口。富氨洗涤水入口设置在第一处理区段与第二处理区段之间。此外，贫氨洗涤水出口设置在第一处理区段的上游。

4、因此，相对于现有技术的直接接触式冷却器，根据本文公开的新型直接接触式冷却器，处理区段被布置成使得在较高温度下从洗涤水中汽提氨，并且当烟道气已经通过汽提而负载有氨时，将烟道气冷却至用于随后的二氧化碳移除的合适温度。

5、当直接接触式冷却器布置在基于氨的二氧化碳减排系统中时，获得了用于二氧化碳移除的特别有效的工艺。在本文公开的实施方案中，例如实现了所需热能的减少。

6、根据另一个方面，本文公开了一种基于氨的二氧化碳减排系统。该系统包括如上文所概述的直接接触式冷却器，以及其他单元，诸如特别是二氧化碳吸收器，该二氧化碳吸收器设置在直接接触式冷却器的下游并且流体联接到直接接触式冷却器，并且具有烟道气入口和烟道气出口。在本文公开的实施方案中，二氧化碳吸收器适于经由基于氨的溶液从自直接接触式冷却器进入二氧化碳吸收器的烟道气中吸收气态二氧化碳，以形成通过二氧化碳出口离开吸收器的富co2的基于氨的溶液。该系统还可包括水洗涤站，该水洗涤站通过烟道气入口流体联接到二氧化碳吸收器，并且适于吸收从烟道气中泄漏的氨。

7、根据又一个方面，本文公开了一种使用基于氨的系统进行二氧化碳减排(即，二氧化碳移除)的方法。

8、根据本文公开的实施方案，二氧化碳减排工艺包括以下步骤：

9、使富co2的烟道气流与富氨洗涤水流的流逆流流动，并用其从富氨洗涤水流中汽提氨，以获得富co2的富氨烟道气流；

10、通过与冷水流的直接接触式冷却来冷却富co2的富氨烟道气流，以达到适于二氧化碳移除的烟道气温度；

11、使所冷却的富co2的富氨烟道气流流动通过二氧化碳吸收器并使所冷却的富co2的富氨烟道气流与基于氨的溶液接触以从其中吸收二氧化碳并产生富co2的基于氨的溶液，以及获得贫co2的贫氨烟道气流；

12、从富co2的基于氨的溶液中移除二氧化碳。

13、根据本公开的直接接触式冷却器、二氧化碳减排系统和用于二氧化碳移除的方法的另外的实施方案和特征在以下详细描述中概述并且在所附权利要求中阐述，所附权利要求形成本描述的组成部分。