用於降低燃燒煙氣中二氧化碳的方法和系統的製作方法

2023-05-30 06:40:21 1

專利名稱：：用於降低燃燒煙氣中二氧化碳的方法和系統的製作方法用於降低燃燒煙氣中二氧化碳的方法和系統
背景技術：
：本發明總的涉及工業燃燒系統，更特別地涉及用於從燃燒煙氣中去除二氧化碳的方法和系統。在煤和/或天然氣系統中在不同點會插入至少一些已知的碳分離技術。例如，從燃燒煙氣中分離C02通常已知用作與後燃燒碳分離技術。已知的後燃燒碳分離技術包括以下工藝，例如但不限於物理吸收、深冷分離、固體吸收劑分離、化學循環燃燒、化學吸收和/或膜分離。一些已知的化學吸收工藝視圖通過co2與單一溶劑(例如碳酸鉀、氬氧化鈉和基於胺的溶劑)的放熱反應從煙氣中去除C02。已知的基於胺的液體可以包括烷醇胺，例如二乙醇胺、三乙醇胺、活化曱基二乙醇胺和一乙醇胺(MEA)。在已知的化學吸收工藝過程中，例如將煙氣和基於胺的液體(例如MEA)在吸收器(洗滌器)中逆向流動。該煙氣可以在接近底端的位置進入該洗滌器，向上流動，/人接近反向頂端的位置排出。該液體可以在接近頂端的位置進入該洗滌器，向下流動，從接近底端的位置排出。通過該煙氣和該MEA液體在該洗滌器中的化學反應形成富含C02的基於胺的液體。然後將該富含C02的液體引導到解吸器(汽提器)中。該汽提器加熱該富含C02的液體以使該化學反應逆轉，使得該吸收的C02從該液體中釋放出來。然後可以將該釋放的C02壓縮並輸送儲存，該貧含C02的液體可以循環並再應用到該洗滌器中。與較大量的煙氣相比，燃燒煙氣流通常包含較少量的C02。已知的洗滌器通常需要設備尺寸能夠處理較大量的煙氣。在已知洗滌器中進行處理的過程中，煙氣會分散到液體中使得在液體中形成氣泡。液體的C02吸收量部分取決於總氣液接觸面積，其是氣泡表面積的總和。該液體會吸收C02和其它雜質，例如氧硫化碳和二硫化碳。這種已知的雜質氣中分離co2所i的驅;力是根據、::組分的濃度(密J)確定的。洗滌器印跡(footprint)和汽提器再生能量會增加資本成本、操作成本和能量消耗。由於已知化學吸收工藝中電能的消耗也會降低設備容量。一些已知的膜分離工藝包括選擇性滲透氣體的多孔膜。co2在液體中的吸收量部分取決於煙氣和膜材料(例如聚醯亞胺和聚烯烴)之間的物理作用。膜材料和孔尺寸在部分程度上會影響一種煙氣組分與另一種煙氣組分滲透到該孔中的程度。通常使用煙氣壓縮來提供滲透的驅動力，因為用於從煙氣中分離C02的驅動力是膜兩側的壓差。因此，對於膜C02分離來講，與已知的化學吸收工藝相比，不需要分離溶劑和汽提器。可以使用分離C02的另外加壓用於C02的運輸和/或儲存。儘管已知的膜分離工藝通常使用較小的洗滌器尺寸，但這些已知的洗滌器與使用化學吸收方法釋放的C02相比會產生減少兩的分離co2。因此，可能需要在較小的洗塗器中進行多個煙氣的循環和處理以實現與處理相同量的煙氣的較大洗滌器相同程度的C02分離。另外的煙氣處理和壓縮進一步提高了能量消耗和費用。
發明內容在一方面，提供了煙氣(fluegas)的處理方法。該方法包括提供具有膜接觸器的吸收器單元；引導將燃燒煙氣沿該膜接觸器的第一表面流動；引導基於氨的(ammonia-based)液體試劑沿該膜接觸器的第二相對(opposite)表面流動。該方法還包括從煙氣中部分分離該基於氨的液體使得該基於氨的液體和該煙氣在有該膜接觸器的多個孔限定的氣液界面區域上接觸，以通過C02在該基於氨的液體內的化學吸收來從該煙氣中分離C02從而製備富含C02的基於氨的液體。在另一方面，提供了包括吸收器單元的燃燒系統。該吸收器單元包括用於引導燃燒煙氣的外殼；引導到所述外殼內的基於氨的液體試劑；和結合在所述外殼中用於將該基於氨的液體和該煙氣分開的膜接觸器。該膜接觸器包括多個限定氣液界面區域的孔，該基於氨的液體和該煙氣在該氣液界面區域處接觸，以通過C02在該基於氨的液體中的化學吸收從該煙氣中分離二氧化碳以提供富含C02的基於氨的液體。該燃燒系統還包括與該吸收器單元連接的解吸器單元，使得該解吸器單元從該富含co2的基於氨的液體中接收並釋放C02。在另一方面，提供了煙氣處理系統。該煙氣處理系統包括用於引導燃燒煙氣的外殼；引導到所述外殼內的基於氨的液體試劑；和結合在所述外殼中用於將該基於氨的液體和該煙氣分開的膜接觸器。該膜接觸器包括多個限定氣液界面區域的孔。該基於氨的液體和該煙氣在該氣液界面區域處接觸，以通過C02在該基於氨的液體中的化學吸收從該煙氣中分離二氧化碳以提供富含co2的基於氨的液體。附圖簡述圖1是示例性的包括二氧化碳洗滌器的燃燒系統的示意圖；和圖2是圖1中所示的示例性的C02洗滌器的示意圖。發明詳述此處所述的示例性的方法和系統通過將基於氨的化學吸收工藝和疏水膜接觸器相結合，克服了已知後燃燒燃分離技術中的缺點。圖1是示例性的燃燒系統100的示意圖，該燃燒系統100包括爐子/鍋爐110、非必要的汙染控制裝置120、C02吸收器(洗滌器)130、預加熱器140、解吸器(汽提器)150和蒸汽發生器160。爐子/鍋爐110用作燃燒腔，其包括燃料注入口112、空氣注入口114和燃燒區116。在該示例性的實施方式中，至少一個燃料注入口112和至少一個空氣注入口114與爐子/鍋爐110相連，用於分別將燃料和空氣注入燃燒區116中。在燃料燃燒後，在洗滌器130中進行C02分離之前，將產生的燃燒廢氣(也稱作燃燒煙氣)非必要地引導到輸送氣流中進入汙染控制裝置120(例如靜電除塵器和/或過濾集塵室)中經歷多種環境清除工藝。該的雜質(例如氮氧口化物(nox):、硫氧化物(so:)、飛灰、i氣和/或其它顆粒物質)。然後將任何剩餘的煙氣引導到洗滌器130中。洗滌器130通過使用基於氨的液體處理該煙氣，以便於從煙氣中分離co2(後面將會詳細描述)。在煙氣處理之後，非必要地將不含C02的煙氣排到環境空氣中，將富含C02的基於氨的液體溶液引導到預加熱器140中。然後將該富含C02的基於氨的液體引導到汽提器150中。汽提器150降低該富含C02的液體的壓力和/或提高其溫度，以便於從該液體中釋放C02。在該示例性的實施方式中，蒸汽發生器160產生蒸汽用於通過加熱該富含co2的液體逆轉該化學反應以便於從該液體中再生該co2。然後將該釋放的C02壓縮和/或千燥用於儲存和/或輸送。然後將該不含C02的基於氨的液體再循環並引導到洗滌器130中用於後面的煙氣處理。圖2是洗滌器130(圖1中所示)的示意圖。在該示例性的實施方式中，洗滌器130操作以將膜分離和基於氨的化學吸收技術相結合用於從煙氣中捕獲C02。洗滌器130包括由疏水材料(例如聚四氟乙烯(PTEE),包括膨體(expanded)聚四氟乙烯(ePTEE))製備的氣液膜接觸器170。各膜接觸器170包括表面172、相對表面174和延伸通過膜接觸器170並在處理過程中接收煙氣的微孔178。應當認識到膜接觸器170可以構造為以管殼排列、螺旋纏繞模件和/或其它已知構造包裝的惰性中空纖維、基本平坦的片材和/或任何已知的形狀。因為在該示例性的實施方式中膜接觸器170緊密包裝作為中空纖維和/或片莫件單元，因此膜接觸器170與已知的僅實施化學吸收工藝的洗滌器相比每單位體積提供了更大的氣液接觸面積。因此，較小印跡(footprint)的洗滌器130可以定製和/或改進到已知的工業燃燒系統中。而且，PTEE膜接觸器170提高了氣流和液流之間的表面接觸，使得比傳統吸收塔構造的吸收更有效。在該示例性的實施方式中，與選擇性便於煙氣組分流動的已知多孔分離膜相比，膜接觸器170便於將煙氣組分176的非選擇性流入此處所限定的微孔178中。因為膜接觸器170是疏水的，因此膜接觸器170便於防止對流液流通過膜接觸器170。在這種疏水和微孔材料特徵的基礎上，膜接觸器170便於在不將一相分散到另一相中的情況下使煙氣組分176和基於氨的液體接觸。因為膜接觸器170用作氣汽相和液相之間的氣體可滲透阻擋層，因此與已知的多孔分離膜相比，膜接觸器170實際上並不從煙氣中分離C02。相反，基於氨的液體182提供了示例性的混合過程C02分離選擇性。在該示例性的實施方式中，膜接觸器170用作煙氣176和基於氨的液體182之間的接觸介質，便於在化學吸收工藝的基礎上從煙氣176中分離C02。換言之，C02在洗滌器130中的分離是由煙氣176和基於氨的液體分離劑在洗滌器130中的反應決定的，此處對其進行更詳細的描述。在該示例性的實施方式中，煙氣176和基於氨的液體182的接觸面積是在洗滌器中提供的所有膜接觸器170的所有氣液界面區域180的面積之和。膜接觸器170和/或微孔178的組裝密度與使用已知化學吸收工藝通過氣體分散產生的總氣泡表面積相比提供了更大的總氣液表面積接觸。因此，膜接觸器170與已知化學吸收工藝相比便於提高C02吸收效率。在該示例性的實施方式中，膜接觸器170是由疏水材料(例如PTEE)製成的。特別地，膜接觸器是由膨體聚四氟乙烯(ePTEE)製成的。膨體聚四氟乙烯具有約10-約100m々gr的表面積和約90%~約95%的孔隙體積(voidvolume)。膨體聚四氟乙烯的表面積和孔隙含量使煙氣176與基於氨的液體182接觸。該PTEE材料適用於關於該示例性的實施方式討論的煙氣處理操作。例如，煙氣176通常具有可以忽略量的烴和大量的C02。而且，在洗滌器130中的煙氣處理操作中，煙氣176通常在約50°C~約IO(TC(在一些實施方式中約5(TC約80°C)以及其間的子範圍下進行處理，因為基於氨的液體182在環境條件下(例如約50°C)吸收來自煙氣176的C02，因此與視圖使用其它液體分離劑從煙氣中分離C02的已知系統相比不需要對C02和/或基於氨的液體182預加熱。因此，基於氨的液體182便於降低與使用其它液體分離劑的C02吸收相關的操作費用。因為PTEE通常對煙氣組分是惰性的，因此膜接觸器由PTEE和/或其它同樣對煙氣176為惰性的材料製成。由於PTEE材料，因此與已知的海上石油鑽探和/或脫硫(sweeten)操作相比，膜接觸器170在煙氣處理操作下不會彎曲，而且，PTEE便於控制微孔178的尺寸以控制氣液接觸面積用於提高C02吸收效率。在該示例性的實施方式中，與已知的化學吸收工藝相比，基於氨的液體182也便於提高C02吸收效率。與其他類型的已知液體分離劑(例如基於胺的液體)相比，基於氨的液體182具有較高的反應能和吸收容量。由於使用氨作為液體分離劑，因此與其他類型的已知液體分離劑(例如基於胺的液體)相比，基於氨的液體182便於降低能夠吸收幾乎等量的C02的液體量。因為C02吸收需要較少的基於氨的液體182,因此與試圖從其它液體分離劑中再生C02的已知系統相比，從基於氨的液體182中再生C02所需的熱量/蒸汽也更少。因此，便於降低與再生有關的費用。在該示例性的實施方式中的煙氣處理過程中，將煙氣176和基於氨的液體182引導到洗滌器130內提供的膜接觸器170的相對側。儘管煙氣176和基於氨的液體182作為逆流示出，但應當認識到煙氣176和基於氨的液體182可以以相同方向並流。如上所述，通過在化學吸收工藝中使用基於氨的液體使C02擴散通過氣液界面區域180發生從煙氣176中的C02質量傳遞，此處將對其進行詳細討論。在該示例性的實施方式中，通過降低與基於氨的液體182接觸的煙氣部分的壓力在洗滌器130中應用分壓梯度將C02質量通過從氣相到液相的擴散進行傳遞。應當認識到真空、惰性氣體和/或其它驅動力可以產生C02質量傳遞所需的驅動力。通過控制煙氣176和基於氨的液體182之間的壓差，將煙氣176的一部分固定在膜接觸器170的微孔178中使得各氣液界面區域180位於各微孔178的口部。因為膜接觸器170用作煙氣176和基於氨的液體182之間的分隔物，因此流速的變化不會干擾氣液接觸面積。由於膜接觸器170和壓力控制，因此與在已知洗塗器系統中所用的氣體和液體的流速相比，洗塗器130便於對煙氣176和基於氨的液體182在更寬範圍的獨立流速下進行傳遞。膜接觸器170和壓力控制還便於降低基於氨的液體182進入微孔178的溢流、溝道效應和/或返混。因此，與已知的洗滌器系統相比，洗滌器130可以容忍煙氣處理條件更寬範圍的變化。通過降低煙氣176中潛在的氨降解雜質在基於氨的液體182中的分散，膜接觸器170還便於降低起泡和/或溶劑降解。因為用於C02從煙氣176中的分離的驅動力是壓力梯度，因此不需要氣體和液體組分之間的密度差。因此，與已知的多孔分離膜相比，膜接觸器170不需要對CO2從煙氣176中分離的選擇性。在該示例性的實施方式中，洗滌器130包括膜接觸器170和基於氨的液體的結合，以便於從煙氣176中分離C02。因為洗滌器130包括膜接觸器170,因此與已知的試圖僅通過其中的已知化學吸收工藝分離C02的洗滌器系統相比，提高了氣液表面接觸面積。因此，與已知的洗滌器系統相比，膜接觸器170可以緊密包裝成捆狀物和/或模件以便於降低洗滌器尺寸。因為膜接觸器170是由微孔疏水材料(例如PTEE)製成的，因此在煙氣處理中膜接觸器170用作惰性材料隔離物。因為基於氨的液體182用作液體分離劑，因此用於給定量的C02的化學吸收的液體量小於其它液體分離劑所需的量。因此，與已知洗滌器系統的尺寸相比，氨的使用便於降低洗滌器尺寸。而且，與從其它液體分離劑中再生C02相比，基於氨的液體的使用便於降低用於在汽提器150中用於釋放C02所需的再生能量的量。總的來講，洗滌器130便於降低用於分離、吸收和釋放C02以降低其排放的設備尺寸和/或與煙氣處理相關的資本成本o上面詳細描述了洗滌器的示例性實施方式。該洗滌器並不限於和此處所述的特定燃燒系統一起使用，相反，該燃燒器可以單獨使用或與此處所述的其它燃燒系統組件分開使用。儘管上面描述了關於煤或天然氣裝置的示例性方法和系統，但應當認識到該示例性的洗滌器系統和方法也可用於其它燃燒系統，例如但不局限於燃燒發動機。而且，本發明並不限定到上面詳細描述的燃燒器的實施方式。相反，在權利要求的精神和範圍內，洗滌器實施方式的其它變體也可以使用。儘管使用各種特定的實施方式對本發明進行了描述，但本領域的技術人員將認識到可以使用在權利要求的精神和範圍內的改進來實施本發明。部件列表tableseeoriginaldocumentpage11權利要求1.燃燒系統(100)，包括吸收器單元(130)包括用於引導燃燒煙氣的外殼；引導到所述外殼內的基於氨的液體試劑；結合在所述外殼中用於將所述基於氨的液體(182)和該煙氣分開的膜接觸器(170)，所述膜接觸器包括多個限定氣液界面區域(180)的孔(178)，所述基於氨的液體和該煙氣在所述氣液界面區域處接觸，以通過CO2在所述基於氨的液體中的化學吸收從該煙氣中分離二氧化碳以提供富含CO2的基於氨的液體；和與所述吸收器單元連接的解吸器單元(150)，其中所述解吸器單元從該富含CO2的基於氨的液體中接收並釋放CO2。2.依照權利要求1的燃燒系統(100),其中所述膜接觸器包括疏水材料。3.依照權利要求1的燃燒系統(100)，其中所述膜接觸器(170)包括膨體聚四氟乙烯材料。4.依照權利要求1的燃燒系統(100),其中所述膜接觸器(170)包括多個中空纖維。5.依照權利要求4的燃燒系統(100),其中所述多個中空纖維以管殼排列方式裝配。6.依照權利要求1的燃燒系統(100),其中所述膜接觸器(170)包括基本平坦的片材。7.依照權利要求6的燃燒系統(100),其中所述基本平坦的片材作為螺旋巻繞模件進行裝配。8.煙氣處理系統，包括用於引導燃燒煙氣的外殼；引導到所述外殼內的基於氨的液體試劑；結合在所述外殼中用於將所述基於氨的液體(182)和該煙氣分開的膜接觸器(170),所述膜接觸器包括多個限定氣液界面區域(180)的孔(178),所述基於氨的液體和該煙氣在所述氣液界面區域處接觸，以通過C02在所述基於氨的液體中的化學吸收來從該煙氣中分離二氧化碳從而提供富含co2的基於氨的液體。9.依照權利要求8的煙氣處理系統，其中所述膜接觸器(170)包括疏水材料。10.依照權利要求8的煙氣處理系統，其中所述膜接觸器(170)包括膨體聚四氟乙烯材料。全文摘要本發明涉及用於降低燃燒煙氣中二氧化碳的方法和系統，其中提供了燃燒系統(100)。該燃燒系統(100)包括吸收器單元(130)和與所述吸收器單元連接的解吸器單元(150)，該吸收器單元(130)包括用於引導燃燒煙氣的外殼，引導到所述外殼內的基於氨的液體試劑，結合在所述外殼中用於將所述基於氨的液體(182)和該煙氣分開的膜接觸器(170)，該膜接觸器包括多個限定氣液界面區域(180)的孔(178)，該基於氨的液體和該煙氣在所述氣液界面區域處接觸，以通過CO2在所述基於氨的液體中的化學吸收從該煙氣中分離二氧化碳以提供富含CO2的基於氨的液體，其中該解吸器單元(150)從該富含CO2的基於氨的液體中接收並釋放CO2。文檔編號F23J15/02GK101301562SQ20081009629公開日2008年11月12日申請日期2008年5月8日優先權日2007年5月8日發明者A·斯米蒂斯,J·L·莫萊森申請人:通用電氣公司