利用残余的烟道气在冷冻氨过程中从贫溶液回收氨的系统

摘要

本文公开了一种方法，所述方法包括使残余的烟道气流与贫乏的溶液流在附加汽提器中接触；其中所述残余的烟道气流包含氮、氧和水分；和其中所述贫乏的溶液流包含铵、碳酸铵、碳酸氢铵和硫酸铵；形成包含氨蒸气、水蒸气、二氧化碳和氮的蒸气相；形成包含水、硫酸铵和氨的液相；将蒸气相排放至捕集系统；和将液相排放至直接接触冷却器。

说明书

技术领域

本公开涉及在冷冻氨过程中回收氨。具体地，本公开涉及在冷冻氨过程中使用来自残余的烟道气流的分流作为附加汽提介质。

背景

在燃烧燃料(例如，用于发电或用于生产材料(例如水泥、钢铁或玻璃等)的煤、油、泥煤、废物、生物燃料、天然气等)中，产生热烟道气(有时也称为过程气体)的流。这样的热烟道气含有二氧化碳(CO₂)以及其它组分。

冷冻氨过程(CAP)通常用于从后燃烧烟道气流除去二氧化碳(CO₂)。冷冻氨过程提供用于从气体流(例如，像后燃烧烟道气流)捕集和除去二氧化碳的相对低成本的手段。

在冷冻氨过程中，通过使冷冻的氨离子溶液与含有二氧化碳的烟道气流接触，实现从烟道气流吸收二氧化碳。这通常在捕集系统(也称为“吸收器系统”)中完成。含有吸收的二氧化碳的离子溶液随后再生，从而从离子溶液除去二氧化碳，再生的离子溶液再用于二氧化碳吸收过程。这通常在再生系统中完成。因此，形成离子溶液的循环流，其在捕集系统和再生系统之间循环。离子溶液可包含例如水、氨、硫酸铵、二氧化碳和它们的衍生物。

当在捕集系统和再生系统之间循环时，烟道气中的水分可在离子溶液中累积。为了从离子溶液除去该水分，设置为气-液接触装置的附加汽提器接收一部分循环离子溶液。在该装置中，将温热的离子溶液减压，以形成含有溶液的低沸点组分的蒸气(主要为氨和二氧化碳)的气相和含有溶液的高沸点组分的液相。一部分气相化合物在残余的烟道气汽提介质中被吸收，并且返回至冷冻氨过程吸收器容器。将含有硫酸铵的液相送至直接接触冷却器系统，以连同硫酸铵溢流排放。

然而，在附加汽提器中使用蒸汽涉及促进硫酸铵解离为酸性化合物的操作温度，这倾向于腐蚀用于气-液分离装置的其它设备。

概述

本文公开了一种方法，所述方法包括使残余的烟道气流与贫乏的溶液流在附加汽提器中接触；其中所述残余的烟道气流包含氮、氧和水分；和其中所述贫乏的溶液流包含铵、碳酸铵、碳酸氢铵和硫酸铵；形成包含氨蒸气、水蒸气、二氧化碳和氮的蒸气相；形成包含水、硫酸铵和氨的液相；将蒸气相排放至捕集系统；和将液相排放至直接接触冷却器。

本文公开了一种系统，所述系统包含捕集系统；所述捕集系统有效用于通过使烟道气流与包含氨的离子溶液接触，从烟道气流吸收二氧化碳，产生残余的烟道气流；与所述捕集系统流体连通的再生系统；所述再生系统有效用于从离子溶液除去二氧化碳，以形成贫乏的离子溶液；直接接触加热器；所述直接接触加热器与所述捕集系统流体连通，并且有效用于加热残余的烟道气流；和附加汽提器；所述附加汽提器有效用于促进残余的烟道气流和贫乏的溶液流之间的接触。

附图简述

图1描述一种包含二氧化碳捕集系统、再生系统和附加汽提器的示例性液体气体分离系统；和

图2描述一种包含附加汽提器的汽提系统，其使用鼓风机，以将烟道气引入到附加汽提器的底部。

详述

本文公开了一种用于从烟道气流提取二氧化碳的冷冻氨过程。所述方法有利地使用附加汽提器，其使用二氧化碳耗减的残余的烟道气流(下文中称为“残余的烟道气流”)从离子溶液汽提氨和二氧化碳。二氧化碳耗减的残余烟道气流处于比迄今用于附加汽提器的蒸汽更低的温度。

常规的溶液(即，先前存在的溶液)取决于进入再沸器的蒸汽的敏感的温度控制。操作经验已显示蒸气相的组成对塔底物温度敏感，导致过度汽提氨和硫酸铵解离。

在附加汽提器中使用残余的烟道气作为汽提介质(代替蒸汽)避免通过使用蒸汽带来的高温，并且防止硫酸铵解离成为其酸性组分。这样使液体气体分离系统的劣化最小化。此外，降低与使用蒸汽和使用再沸器相关的资金和操作成本。

图1描述一种示例性液体气体分离系统4，其包含二氧化碳捕集系统10 (也称为吸收器)、再生系统11、直接接触加热器30和附加汽提器40，均彼此流体连通。一部分液体气体分离系统的另一个示例性实施方案描述于图2。

现在参考图1和2二者，用于离子溶液的再循环回路位于捕集系统10和再生系统11之间。离子溶液通常包含氨的含水溶液。将一部分贫乏的离子溶液204取出并且进料至附加汽提器40。在附加汽提器中，贫乏的离子溶液与来自直接接触加热器30的残余的烟道气流接触，从贫乏的离子溶液汽提蒸气相中的轻质目标物质(氨和二氧化碳)。在一个实施方案中，附加汽提器包含结构化填料或散装填料，以促进传质。

通过使烟道气流与贫乏的离子溶液13接触，捕集系统10从烟道气流捕集和除去二氧化碳。贫乏的离子溶液(这样称呼是因为其二氧化碳贫乏)从烟道气流提取二氧化碳，以形成二氧化碳富集的离子溶液12 (下文中称为“富集的离子溶液”)。将现在基本上不含二氧化碳的残余的烟道气流32输送至直接接触加热器30。将一部分残余的烟道气(分流(slipstream))送至附加汽提器40作为汽提介质。

附加汽提器40设计用于控制在捕集系统10中的液体累积和在离子溶液中保持可接受水平的硫酸铵。附加汽提器40布置为与循环离子溶液流流体连通，并且设置用于接收一部分循环离子溶液流，将接收的离子溶液分离成为氨富集的气相(蒸气相(206))和氨贫乏的液相(液相(208))，并且将氨富集的气相(206)再引入捕集系统10中。在一个示例性实施方案中，将氨富集的气相(206)经由捕集系统10再引入到循环离子溶液流中。从系统除去主要由水组成的氨贫乏的液相(208)。离子溶液可被动供应至附加汽提器40，例如，借助二氧化碳去除系统的内部压力。

直接接触加热器30加热残余的烟道气流，用于烟道排放至大气。使用冷却器，残余的烟道气流作为汽提介质防止氨从离子溶液损失，并且还使硫酸铵到其酸性组分的分解最小化。

再生系统11有效用于在一定温度和压力下处理富集的离子溶液12，以从富集的离子溶液释放二氧化碳。二氧化碳可随后封存或用于其它目的。随后将在(从富集的离子溶液)释放二氧化碳后产生的贫乏的离子溶液13再循环至捕集系统10。随后将包含水、氨、硫酸铵、二氧化碳和它们的衍生物的一部分贫乏的离子溶液13 (在图1和2中，显示为离子溶液(204))排放至附加汽提器40，以除去氨贫乏的液相，如以上详述。

下文的讨论仅涉及图2。图2显示包含附加汽提器106的液体气体分离系统100的一部分。包含锅炉(未显示)的发电系统下游的烟道气在捕集系统(未显示)中处理，以除去二氧化碳，从而产生残余的烟道气流202。一部分残余的烟道气流202 (即，分流)经由直接接触加热器(未显示)和任选的鼓风机108排放至附加汽提器106。使用鼓风机108 (例如，风扇)将烟道气流的压力从直接接触加热器放出烟道气流的压力稍微提高。

直接接触加热器用于将残余的烟道气流202加热至约25-约50℃的温度，特别是约30-约45℃。残余的烟道气流202用作蒸汽的替代，作为在附加汽提器40中的汽提介质。残余的烟道气流202包含氮、氧和水分，并且用作汽提介质，引入到附加汽提器106的下部。在大气压附近的压力下，将残余的烟道气流引入到附加汽提器106中。

包含来自再生器的氨、碳酸铵、碳酸氢铵和硫酸铵的贫乏的离子溶液流204也进料至附加汽提器106的上部。贫乏的溶液流204通过分布集管(未显示)进料至附加汽提器，在这里其与残余的烟道气流接触。贫乏的溶液流204和残余的烟道气流202之间接触的结果是，形成蒸气相206和液相208。蒸气相206与以上详述的氨富集的气相类似，并且包含氨蒸气、水蒸气、二氧化碳和氮，并且从附加汽提器106的上部取出。蒸气相206可再装载至捕集系统。在一个示例性实施方案中，将蒸气相206送至捕集系统中的注射格栅。

在附加汽提器106中的塔底物包含液相208，其含有水、硫酸铵和低浓度的氨。将该溶液排放至直接接触冷却器(未显示)，用于与其它硫酸铵副产物流一起排放。

该系统具有多个优点。通过在低温下将氨直接返回至吸收器，在显热(较低热量)和潜热(没有蒸汽冷凝)方面实现显著的能量益处。氨汽提效率大于约98%，特别是大于约99%，更特别是大于约99.5%。没有蒸汽用于该过程，因此使硫酸铵的降解最小化或甚至消除硫酸铵的降解。不使用烟道气预处理。在正常的大气压下进行该过程，因此降低使残余的烟道气流加压的成本。

通过以下非限制性实例来进一步说明本发明。

实施例

实施例1

进行本实施例以确定使用附加汽提器的系统的汽提效率。通过分布集管，将包含铵、碳酸铵、碳酸氢铵和硫酸铵的混合物的贫乏的溶液流引入到附加汽提器的顶部。氨化的溶液含有7.23 M浓度的氨离子。通过鼓风机将包含二氧化碳、氮和水分的来自直接接触加热器的残余的烟道气流加压，并且从底部引入到附加汽提器。在25-50℃的温度下，在附加汽提器的底部，引入残余的烟道气流。

残余的烟道气流和贫乏的溶液流因此以相互相反的方向移动通过附加汽提器。烟道气流和贫乏的溶液流之间的相互作用导致在附加汽提器中形成蒸气相和液相(也称为“塔底物”)。蒸气相包含氨蒸气、水蒸气、二氧化碳和氮，并且从汽提器的顶部除去。将蒸气相送至捕集系统中的典型的注射格栅。

液相包含水、硫酸铵和低浓度的氨(0.02-0.04 M)，从附加汽提器的底部除去，并且排放至直接接触冷却器。汽提效率高于99%。不需要蒸汽来实现该汽提效率。

应理解的是，当提及一个元件在另一个元件“之上”时，其可直接在另一个元件之上，或者它们之间可存在插入元件。与此相反，当提及一个元件“直接”在另一个元件“之上”时，不存在插入元件。本文使用的术语"和/或"包括一个或多个相关列举项目的任何和所有组合。

应理解的是，虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可用于描述不同元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应局限于这些术语。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分。因此，在不偏离本文的教导下，以下讨论的“第一元件”、“部件”、“区域”、“层”或“部分”可称为第二元件、部件、区域、层或部分。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并且不旨在限制。除非上下文明确说明另外的情况，否则本文使用的单数形式"一个"、"一"和"该"旨在同样包括复数形式。应进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包含(comprises)”和/或“包含(comprising)”或“包括(includes)”和/或“包括(including)” 指定存在所陈述的特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或加入一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

此外，本文可使用相对术语例如"下部"或“底部”和"上部"或“顶部”来描述一个元件与另一个元件的关系，如在图中说明的。应理解的是，相对术语旨在包括除了在图中描述的取向以外，装置的不同取向。例如，如果将在一个图中的装置翻转，描述为在其它元件“下部”侧的元件则会在其它元件的"上部"侧取向。因此，示例性术语"下部"可包括"下部"和"上部"两个取向，取决于图的具体取向。类似地，如果将在一个图中的装置翻转，描述为在其它元件"以下"或"下面"的元件则会在其它元件"以上"取向。因此，示例性术语"以下"或"下面"可包括以上和以下两个取向。

除非另外限定，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域普通技术人员通常理解相同的含义。应进一步理解的是，术语(例如在常用的字典中定义的那些)应解释为具有与其在相关领域和本公开的背景中的含义一致的含义，并且不应以理想化和过度正式的意义来解释，除非本文明确这样的定义。

本文参考作为理想化实施方案的示意性图示的横截面图示来描述示例性实施方案。因此，预期作为例如制造技术和/或公差的结果，由图示的形状的变化。因此，本文描述的实施方案不应解释为局限于本文图示的区域的具体形状，而是包括例如由于制造得到的形状的偏离。例如，图示或描述为平坦的区域可通常具有粗糙和/或非线性特性。此外，图示的尖锐的角可为圆的。因此，在图中图示的区域为示意性性质的，并且它们的形状不旨在图示区域的精确形状，并且不旨在限制本发明权利要求的范围。

虽然已参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，在不偏离本发明的范围下，可进行各种变化并且可用等价物替代其要素。此外，可进行许多修改，使得在不偏离本发明的实质范围下，具体的情况或材料适应本发明的教导。因此，旨在本发明不局限于作为预期用于实施本发明的最佳方式而公开的具体实施方案，而是本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施方案。