用于减少能量消耗的碳捕获系统的氨汽提塔

摘要

本发明涉及用于减少能量消耗的碳捕获系统的氨汽提塔。提供了一种碳捕获系统，例如冷冻氨工艺，其包括带冷却系统的二氧化碳吸收系统和氨吸收系统。氨吸收系统包括吸收柱，其用于接收具有氨的贫二氧化碳气流并接收吸收剂，其中吸收剂从贫二氧化碳气流中吸收氨，从而提供氨减少的气流和富氨吸收剂。此外，提供了一种氨汽提塔，其用于接收富氨吸收剂并接收气流的一部分，其中气流流过氨汽提塔，以加热富氨吸收剂，从而从其中释放氨，并提供富氨气流和氨减少的吸收剂。

说明书

技术领域

本公开总体上涉及减少碳捕获工艺和系统的能量消耗，例如用于从气流中去除二氧化碳(CO₂)的冷冻氨工艺(CAP)和系统，更具体而言，涉及一种利用烟道气中的废热来汽提氨以减少能量消耗的CAP CO₂去除工艺和系统。

背景技术

世界上所使用的能量可来源于碳和含氢燃料的燃烧，例如煤、油、泥炭、废气和天然气。除了碳和氢之外，这些燃料包含氧、湿气和污染物。这种燃料的燃烧导致包含污染物的气流的产生，其采用灰尘、二氧化碳(CO₂)、硫化物(时常采用氧化硫的形式，称为“SO_X”)、氮化物(时常采用氧化氮的形式，称为“NO_X”)、氯、汞以及其它痕量元素的形式。关于燃烧期间所释放的污染物的有害影响的认识触发了对来自发电厂、精练厂和其它工业工艺的排放实施甚至更为严格的限制。对这种工厂的操作员存在日益增加的压力，以取得污染物的接近零排放。然而，从气流例如烟道气流中去除污染物需要相当大的能量。

而且在CAP处理中，CAP汽提塔用于分离被吸收于水洗柱中的水/氨/CO₂溶液。氨返回到CO₂吸收器，用于CO₂的捕获，并且水返回到水洗柱，用于氨的捕获。为了从富氨水洗溶液中汽提出氨，将蒸汽提供给热交换器或再沸腾器，以加热流过氨汽提塔的流体。已知的是，用于这种无处罚系统的蒸汽使用的减少有利于系统的效率。

因此，在用于从碳捕获系统尤其是CAP应用中的烟道气流回收氨和二氧化碳的这种系统和工艺中需要减少蒸汽的使用。

发明内容

根据文中示出的方面，提供了一种用于从气流中去除二氧化碳的碳捕获系统的氨吸收系统。该氨吸收系统包括吸收柱，以接收具有氨的贫二氧化碳气流并接收吸收剂。吸收剂从贫二氧化碳气流中吸收氨，以提供氨减少的气流和富氨吸收剂。氨汽提塔接收富氨吸收剂和气流的一部分。气流流过氨汽提塔，以加热富氨吸收剂，从而从其中释放氨，并提供富氨气流和氨减少的吸收剂。

根据文中示出的另一方面，提供了一种从碳捕获系统的富氨吸收剂中汽提出氨的方法，该碳捕获系统用于从气流中去除二氧化碳。该方法包括使具有氨的贫二氧化碳气流与吸收剂相接触，其中吸收剂从贫二氧化碳气流吸收氨，从而提供氨减少的气流和富氨吸收剂。该方法还包括使富氨吸收剂与气流的一部分相接触，其中气流加热富氨吸收剂，以便从其中释放氨，并提供富氨气流和氨减少的吸收剂。

通过以下附图且在详细描述中举例说明上述及其它特征。

附图说明

现在参照附图，它们是示例性的实施例，且其中相同的元件被相同地标记出：

图1是示意图(现有技术)，其总体描绘了基于氨的CO₂去除系统；

图2是示意图，其描绘了根据本发明实施例的包括氨汽提塔的基于氨的CO₂去除系统；且

图3是根据本发明另一实施例的示意图，其描绘了包括烟道气汽提塔和附加氨汽提塔的文中公开的CO₂去除系统的另一实施例。

具体实施方式

图1是已知的CO₂捕获系统10的示例的示意图，其用于从炉(未显示)中燃料的燃烧所产生的烟道气流12中去除CO₂。CO₂捕获系统10从由冷却系统14冷却的烟道气流12吸收二氧化碳。在引入至冷却系统14之前，烟道气流12可经历处理，以在冷却系统上游从其去除污染物，例如烟道气脱硫工艺和颗粒收集器(未显示)。

冷却系统14可为任何系统，该系统可产生冷却的烟道气流12，并且如图1中所示可包括直接接触冷却器(DCC)16，其在输入管线18处接收冷却的水，以便清洗和/或净化烟道气流、捕获污染物和/或降低烟道气流的湿气含量。在管线18处离开DCC 16的水溶液进行再循环和/或经由管线20从冷却系统14去除。

CO₂捕获系统10还包括CO₂吸收器24，其设置成容许在冷却的烟道气流22和吸收溶液26之间的接触，吸收溶液26包括氨(NH₃)，例如贫CO₂的氨水溶液。因而，将从其去除CO₂的烟道气流22经由管线28输送至CO₂吸收器24。贫CO₂氨水溶液26经由管线30输送至CO₂吸收器24。贫CO₂氨水溶液26在向上穿过吸收器24的烟道气流22的逆流方向上向下流动。在CO₂吸收器24中，来自烟道气流22的CO₂例如通过铵的碳酸盐或碳酸氢盐的形成而被吸收在贫CO₂氨溶液26中。

在CO₂被吸收于CO₂吸收器24中之后，包含吸收的CO₂的吸收溶液32(例如，富CO₂氨溶液)经由管线34离开CO₂吸收器24。富CO₂吸收溶液32被预热并泵送至吸收溶液再生器36。向下流过再生器36的富CO₂吸收溶液32被加热，以从富CO₂吸收溶液分离和释放CO₂，从而形成富CO₂气流38和贫CO₂吸收溶液26。分离的CO₂气流38离开吸收溶液再生器36通往CO₂提纯器40，其利用水或含水溶液42从CO₂气流分离或清洗残留的氨。离开提纯器40的提纯的CO₂气流被压缩和冷却，之后经由管线44离开以用于储存。

离开再生器36的贫CO₂吸收溶液26经由管线30被再循环至CO₂吸收器24。热交换器46冷却贫CO₂吸收溶液26，并加热提供给再生器36的富CO₂吸收溶液32。

如图1中进一步所示，CO₂捕获系统10还包括氨吸收系统50，其用于去除存在于离开CO₂吸收器24的贫CO₂烟道气流52中的氨。氨吸收系统50包括氨吸收器54或水洗柱。氨吸收器54设置成容许在离开CO₂吸收器24的贫CO₂烟道气流52和第二吸收溶液56之间的接触，第二吸收溶液不包含氨或包含低浓度的氨。第二吸收溶液56可能主要是水。在氨吸收器54中，当水溶液在向上穿过的贫CO₂烟道气流52的逆流方向上向下流动时，保留在气流中的包括氨的污染物在其离开CO₂吸收器24时被吸收于水溶液56中。氨吸收器54提供了耗尽CO₂和减少氨水平以便扩散到大气的干净的烟道气58，以及具有氨、CO₂和其它污染物的水溶液60。富氨水溶液60在进入氨汽提塔62之前被泵送和预热，以便从富氨水溶液60释放和分离出氨。在氨汽提塔62中，富氨的水溶液60被加热至某一温度，在该温度下，较低沸点成分可转变为气相以形成汽提塔尾气流64，而较高沸点成分保持液相并可被冷却和再循环回到氨吸收器54，以便用作水溶液56。尾气流64至少具有从其中离开的氨。水溶液56是贫氨或不含氨的含水溶液。汽提塔62可利用高、中或低压力的蒸汽进行加热，这依赖于穿过热交换器66或再沸腾器(未显示)的汽提塔操作压力。

汽提塔62的尾气流气体64通常包括氨、CO₂以及其它低沸点的污染物，其可经由管线28输送至CO₂吸收器24，如图1中所示。

进一步提供了附加汽提塔80，以便从贫CO₂氨溶液26中汽提出氨，导致富氨气体82，其被提供给CO₂吸收器24的输入管线28。贫CO₂氨溶液26离开再生器36的下部，并经由管线84提供给附加汽提塔柱80的上部。附加汽提塔通常可能是汽提塔柱，其中贫CO₂氨溶液24被加热至某一温度，在该温度下，较低沸点成分可转变为气相以形成富氨气流82，而较高沸点成分保持液相，即贫氨或不含氨的水流86，并可提供给DCC 16。汽提塔80可利用高、中或低压力的蒸汽进行加热，这依赖于穿过热交换器88或再沸腾器(未显示)的汽提塔操作压力。

同图1中所示相似的已知的冷冻氨工艺(CAP)系统和工艺相比，并且如下面参照图2和图3进一步所描述的，文中公开的本发明的实施例在氨汽提工艺期间采用了气流例如烟道气中的废热来替代蒸汽的使用，作为加热氨汽提塔的措施。具体而言，本发明使用一部分饱和的温暖烟道气以从氨中汽提出水，并替代由蒸汽提供用于氨汽提工艺的能量。本发明将蒸汽消耗减少了15-25%。因此，本发明替代了例如在图1的汽提塔62中所示的蒸汽循环66，并由此减少了整个系统的能量消耗。因此，本发明在对于例如发电厂的低压(LP)涡轮的蒸汽需求方面提供了有力的减少。另一优点是热设备的减少，例如再沸腾器、冷凝器和热交换器表面以及汽提塔出口流的冷却。

在如以下将根据实施例更详细描述的图2中，本发明经由管线212使用一部分烟道气202从氨中汽提出水。此外，该部分烟道气202替代了由蒸汽源提供的能量，以用于从富氨水流298中汽提出氨，其中由提供给碳捕获系统200的饱和温暖烟道气流214的一部分来提供热量以用于处理。具体而言，一部分温暖的烟道气流穿过氨汽提塔206，以便提供从水洗系统208产生的水流298中汽提出氨所必要的热量。因此，由烟道气202提供的能量替代了至少一部分由供给至1的氨汽提塔62的热交换器66或再沸腾器的蒸汽所提供的热能，以及从富氨水流298中汽提出水。

如图2中所示，CO₂捕获系统200接收通过炉(未显示)中的燃料燃烧而产生的处理后的烟道气流202。CO₂捕获系统200从处理后的烟道气流202中吸收二氧化碳，其由冷却系统204进行冷却。温暖烟道气的温度大约为65摄氏度，其可在大约60-70摄氏度的范围内。在引入至冷却系统204之前，来自炉的烟道气流可经历处理，以在冷却系统的上游从其去除污染物，例如烟道气脱硫工艺和颗粒收集器(未显示)。这种处理后的烟道气202的低SO_X含量有助于防止氨汽提塔206以及水洗系统208的其它构件的腐蚀，并且避免污染物的积累。烟道气中的SO_X含量的百分比优选地低于10 ppm，并且更优选地低于1 ppm。

一部分处理后的烟道气202经由管线212提供给氨汽提塔206的下部，以便从氨溶液298中汽提出水并提供能量源，以从氨溶液中释放出氨。提供给汽提塔206的烟道气202的百分比大约为10%，然而本发明可设想该烟道气体量可在烟道气流202的5%-25%的范围内。烟道气流202的剩余部分经由管线214提供给CO₂捕获系统200的冷却系统204。

冷却系统204可能是任何系统，该系统可产生冷却的烟道气流216，并可包括直接接触冷却器(DCC)218，其清洗和/或净化烟道气流、捕获污染物和/或降低烟道气流的湿气含量。在DCC 218的上部，在管线222处提供冷却流体220，例如水或其它含水溶液。冷却流体220在向上穿过DCC 218的烟道气流214的逆流方向上向下流动。DCC包括传质装置(MTD)224，用于增加烟道气214和水220的接触和驻留时间，以促进烟道气流的冷却。传质装置224可包括填料，例如结构化填料、随机填料和/或亲水性填料。在DCC 218的下部，在管线226处离开DCC 218的清洗液或水220的一部分通过泵228循环回到DCC的上部，其可由热交换器230进行冷却。清洗液的其它部分经由管线232从DCC 218去除。

离开DCC 218的冷却的烟道气216可具有比周围温度更低的温度。在一个示例中，冷却的烟道气流可具有在大约零摄氏度至大约二十摄氏度之间的温度。在另一实施例中，冷却的烟道气流可具有在大约零摄氏度至大约十摄氏度之间的温度。

CO₂捕获系统200还包括CO₂吸收器240，其设置成容许在冷却的烟道气流216和包括氨(NH₃)的冷冻的吸收溶液242之间的接触。因此，将从其去除CO₂的烟道气流216经由管线244经由吸鼓246输送至CO₂吸收器240，其将在后文中更详细地描述。在CO₂吸收器240中，通过使气流鼓泡通过吸收溶液或者通过用吸收器将吸收溶液喷射到气流中，从而使这种冷却的烟道气流216与吸收溶液242相接触。

如图2中所示，冷冻的吸收溶液242经由管线248输送至CO₂吸收器240。吸收溶液在向上穿过吸收器240的烟道气流216的逆流方向上向下流动。CO₂吸收器240包括传质装置(MTD)250，用于增加烟道气216和吸收溶液242的接触和驻留时间，以促进烟道气流中的CO₂被氨的吸收。传质装置250可包括填料，例如结构化填料、随机填料和/或亲水性填料。在CO₂吸收器240中，来自烟道气流216的CO₂例如通过呈溶解或固体形式的铵的碳酸盐或碳酸氢盐的形成而被吸收在吸收溶液242中。

包含吸收CO₂的所使用的富CO₂吸收溶液的一部分252a通过泵254再循环回到吸收器240的上部。再循环的吸收溶液252a被热交换器256进一步冷却。富CO₂吸收溶液的其它部分252b经由管线258离开CO₂吸收器240。富CO₂吸收溶液252b经由泵260进行泵送，并在进入再生器264之前被热交换器262加热。再生器264被一个或多个热交换器266、268加热，以从富CO₂吸收溶液252b分离和释放出CO₂，从而形成富CO₂气流268和再生的吸收溶液(贫CO₂吸收溶液)242。备选地，再生器264可被再沸腾器(未显示)加热。热交换器和再沸腾器可通过例如由低压(LP)涡轮(未显示)提供的蒸汽进行加热。分离的CO₂气流268离开再生器264通往CO₂提纯器270，其利用水或其它含水溶液从CO₂气流吸收残留的氨。这种水可从氨汽提塔206经由管线272提供，并经由管线273再循环。提纯的CO₂气流274在经由管线280离开之前被压缩机276压缩，并被一个或多个热交换器278冷却，以用于进一步使用或封存。

再生的吸收溶液242经由管线282再循环至CO₂吸收器240。热交换器262冷却再生的吸收溶液242，并加热富CO₂吸收溶液32，其被提供给再生器264。

如图2中进一步所示，CO₂捕获系统200还包括水洗系统208，其用于去除存在于离开CO₂吸收器240的贫CO₂烟道气流282中的氨。水洗系统208包括氨吸收器284，例如水洗柱。水洗柱284设置成容许在经由管线286离开CO₂吸收器240的贫CO₂烟道气流282和第二吸收溶液288(例如水流)之间的接触，第二吸收溶液不包含氨或包含低浓度的氨。第二吸收溶液288可能主要是水或其它含水溶液。水流288经由管线290输送给水洗柱284。在水洗柱284中，当气流离开CO₂吸收器240时，保留在气流中的包括氨的污染物被吸收于水流288中。水流288在向上穿过水洗柱284的贫CO₂烟道气流282的逆流方向上流动。柱284包括传质装置(MTD)292，其用于增加烟道气282和水流288在水洗柱284中的接触和驻留时间，以促进烟道气流中的氨和其它污染物被水流的吸收或清洗。传质装置292可包括填料，例如结构化填料、随机填料和/或亲水性填料。水洗柱284提供了经由离开管线296离开的耗尽CO₂和减少氨水平的干净的烟道气294，以及具有氨、CO₂和其它污染物的富氨水流298。

包含吸收氨的富氨水流298经由泵300进行泵送，并且在进入再生器或氨汽提塔206之前被热交换器302加热，以便从富氨水流298中释放和分离出氨。加热富氨水流298的第二热交换器306对于确保富氨水流在进入汽提塔206时的温度至少为70摄氏度可能是必须的。富氨水流298的温度优选地在至少60-75摄氏度的范围内。第二热交换器306可由蒸汽加热。在氨汽提塔206中，富氨水流298被加热至某一温度，在该温度下，较低沸点成分可转变为气相以形成汽提塔尾气流308，而较高沸点成分主要保持为液相288，并且可再循环回到氨吸收器284，以用作第二吸收溶液。这种液相可能是贫氨或不含氨的水流288，其被一个或多个热交换器302、310冷却。水流288向下流过传质装置(MTD)312，其用于增加部分烟道气202和富氨水流298的驻留时间，以促进氨、CO₂和其它污染物释放或汽提至离开管线316。传质装置312可包括填料，例如结构化填料、随机填料和/或亲水性填料。

有利的是，汽提塔206利用经由管线212提供的一部分饱和温暖烟道气202而被加热至60-70摄氏度的范围内的温度。饱和温暖烟道气202的部分可能被清除SO_X，但不是必要的，其被提供给MDC312下面的汽提塔206的下部。烟道气202在富氨水流298的向下流动的逆流方向上向上流动。烟道气202提供了热量，其用于从富氨水流298中释放出气相的氨(和CO₂)。

烟道气还提供了用于从水流298中汽提出氨的措施。富氨尾气308被提供给吸鼓246。与吸鼓和CO₂吸收器240流体连通的升压风扇318将氨气流308和冷却的烟道气流216两者抽吸到吸鼓246中且到吸收器240的下部。沉积于吸鼓中的液相经由管线320提供给吸收器240。如前文所述，提供给汽提塔206的烟道气流202的热量使得能够消除图1的热交换器或再沸腾器66。

进一步提供了附加汽提塔360，以便从贫CO₂氨溶液242中汽提出氨，导致富氨的气体362，其经由吸鼓246提供至CO₂吸收器240。贫CO₂氨溶液242从再生器264离开，并经由管线364提供给附加汽提塔柱360的上部。附加汽提塔360通常可能是汽提塔柱，其中贫CO₂氨溶液242被加热至某一温度，在该温度下，较低沸点成分可转变为气相以形成富氨气流362，而较高沸点成分保持为液相，即贫氨或不含氨的水流366，并且可提供给DCC 218。在附加汽提塔360中，富氨吸收剂242向下流过传质装置(MTD)。传质装置367可包括填料，例如结构化填料、随机填料和/或亲水性填料。MTD用于增加贫CO₂氨溶液242的驻留时间，以促进氨到管线368的释放或汽提。附加汽提塔360可利用高、中或低压力的蒸汽进行加热，这依赖于穿过热交换器370或再沸腾器(未显示)的汽提塔操作压力。

CO₂捕获系统200还包括直接接触加热器(DCH)326，其用于加热离开水洗柱284的清洁的烟道气294。DCH 326接收来自DCC 218的管线226的一部分水流以及来自水洗柱284的干净的烟道气294。在DCH 326的上部接收水流，并且在DCH的下部接收干净的烟道气。传质装置设置在DCH 326中。水流和干净的烟道气294沿逆流方向流动，从而在冷却水流的同时加热干净的烟道气。加热的烟道气328经由烟囱(未显示)提供至大气，并且冷却的水流330再循环回到DCC 218。冷却的水流330可被加热的交换器332进一步冷却。

参照图3，提供了体现本发明的与图2的CO₂捕获系统200相似的CO₂捕获系统300，其中该系统还包括附加汽提塔360以用于从贫CO₂氨溶液242中汽提出氨。具有与图2的系统200的构件相同的标号的图3的系统300的构件是相同或相似的，并以相同或相似的方式起作用。

如图3中所示，附加汽提塔360接收从再生器264离开的一部分贫CO₂氨溶液242，其富含氨并耗尽了CO₂。贫CO₂氨溶液242经由管线342提供至附加汽提塔360的上部。另一部分经过处理的烟道气流202(通常为烟道气流202的5%，但可在3-10%的范围内)被提供至附加汽提塔360的下部。附加汽提塔通常可能是汽提塔柱，其中贫CO₂氨溶液242被加热至某一温度，在该温度下，较低沸点成分可转变为气相以形成富氨气流344，而较高沸点成分保持液相，即贫氨或不含氨的水流346，并且可提供给DCC 218。在附加汽提塔360中，贫CO₂氨溶液242在温暖烟道气流202的逆流方向上向下流过传质装置(MTD)348。传质装置348可包括填料，例如结构化填料、随机填料和/或亲水性填料。MTD用于增加烟道气202和贫CO₂氨溶液242的接触和驻留时间，以促进氨到离开管线350的释放或汽提。富氨尾气344被提供给吸鼓246。与吸鼓246和CO₂吸收器240流体连通的升压风扇318将富氨气流308、344和冷却的烟道气流316两者抽吸到吸鼓246中且到CO₂吸收器240的下部。有利的是，提供给附加汽提塔360的烟道气流202的热量消除了对于图1的热交换器或再沸腾器370的需求。附加汽提塔360被加热至在60-70摄氏度的范围内的温度。

本发明的另一优点包括从发电厂蒸汽循环消除了专用的蒸汽提取源，以操作用于某些捕获系统的汽提塔，导致对捕获系统供给能量的改进且廉价的方法。

又一优点包括蒸汽能量的减少，这还意味着在冷却方面相同的或可比的能量减少。此外，流308饱含有CO₂，从而进一步增强了氨吸收能力。

虽然文中陈述的系统的构件被描述为具有各种数量的入口和出口，但本公开并不局限于这个方面，因为在不脱离文中公开的较宽方面的条件下，文中所述的构件可具有任意数量的合适的入口和/或出口以及泵、阀门等等。类似地，虽然文中对各种位置例如顶部、底部等等做出参考，但是本公开并不局限于精确位置，因为文中公开的各种管线和流可在其它位置进入/离开。此外，将会懂得，图2和图3中所示的实施例可包括其它构件，例如控制阀、蒸气/液体分离器、泵等等。

虽然已经参照各种示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会懂得，在不脱离本发明的范围的条件下，可做出各种变化，并且等效物可替代其元件。另外，在不脱离本发明的本质范围的条件下，还可制成许多改型，以使特殊的情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不意图局限于作为为了实现本发明所构想的最佳模式而公开的特定实施例，而是，本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。