從氣體中分離可凝結蒸汽的方法和系統的製作方法

2023-07-31 16:21:16 3

專利名稱：從氣體中分離可凝結蒸汽的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過在顆粒床上使蒸汽凝華從氣體中分離凝華蒸汽(例如，二氧化碳)的方法和系統。
背景技術：
從其它輕質氣體例如氮氣中分離二氧化碳對實現二氧化碳的分離很重要。常規的動力站或發電站的煙道氣一般包含約4% (體積百分比)到約14%的二氧化碳(CO2)。CO2 可以是氣候變化的一個重要標示。因此，很明顯需要從煙道氣中俘獲CO2的高效率的方法， 以便產生可以被快速運輸到安全的存儲地點或更進一步的應用的ω2的濃縮氣流。已經或計劃通過五種主要技術來從氣流中俘獲CO2:吸收，其中，CO2被選擇地吸收進液態溶劑中； 吸附或化學循環，其中，通過在特別設計的固體顆粒的表面上吸附或反應來分離CO2，在之後的工藝或處理中可能會或者也可能不會引起所述特別設計的固體顆粒向基本上純的氣流中釋放CO2 ；隔膜，其中，通過半滲透性的塑料或陶瓷隔膜來分離CO2 ；全氧燃燒，其中，在燃燒之前從空氣中分離氧氣，以產生基本上純的CO2流；以及，低溫/高壓處理，其中，通過冷凝CO2來實現分離。目前從煙道氣中俘獲(X)2最被接受的並因此被證實是經濟的技術是用胺溶液洗滌煙道氣從而將(X)2吸收至溶液中。對於俘獲(X)2的系統，該技術從小規模的煙道氣和從專業工藝上已經達到了操作的商業狀態。然而，它的應用顯著降低了發電廠或動力廠發電廠的整體效率。已經受到顯著關注的另一種工藝是氧氣燃燒系統，其使用氧氣來代替空氣進行基本燃料的燃燒，所述氧氣通常在空氣分離設備(ASU)但有時也在膜分離設備中產生。所述氧氣經常混合有惰性氣體，例如再循環的煙道氣，以在適合的水平上保持燃燒溫度和熱吸收。氧氣燃燒工藝產生具有CO2、水以及A作為它的主要組分的煙道氣；(X)2濃度一般大於約70% (體積百分比)。在CO2被送去存儲之前，通常需要對煙道氣進行處理以從煙道氣中移除空氣汙染物和非可冷凝或凝結的氣體(例如氮氣)。

發明內容
本公開描述了在持續的分離工藝中用於從其他氣體(例如，氮氣)中分離凝華蒸汽(例如，二氧化碳)的方法和系統。分離工藝在具有床內熱交換設備的流化或固定床中執行。床內熱交換設備對床和/或流過床的工藝流進行冷卻。隨著工藝流的冷卻，使可凝結蒸汽凝結或冷凝，從而在床顆粒的表面和/或外部熱交換設備表面形成冷凝相。凝華蒸汽的冷凝作用也導致在工藝流中蒸汽從其它氣體分離，從而形成分離的輕質氣體流。冷凝的固體，例如但不限於，二氧化碳、硫的氧化物、氮的氧化物以及水，可以被融化形成液體並且用作產品或使用任意適合的隔離技術來隔離。例如，可以將分離的二氧化碳注入到含水土層或其它適合的地下水庫。在本發明中顆粒床的使用為蒸汽凝華作用提供了充足的表面區域。顆粒床通過使
4發生於熱交換設備表面的凝華作用的量作為凝華蒸汽佔的總百分比最小化來提高系統的效率。在一個實施例中，可以將床流化。在該實施例中，流化的顆粒可以撞擊熱交換設備的導管的外表面來減少冷凝的固體的積聚，從而進一步提高熱交換設備的效率並且允許系統的持續的操作。在一個實施例中，系統包括具有工藝流入口和輕質氣體出口的分離容器。工藝流入口與包括可凝結蒸汽的工藝流成流體連通。將顆粒床放置於分離容器內。顆粒床與工藝流成流體連通並且工藝流有足夠的壓力來流過顆粒床。床內熱交換設備包括至少部分浸沒於顆粒床中的一個或更多個熱交換設備表面。在床內的溫度和壓力足以使至少一部分可凝結蒸汽從工藝流凝華至顆粒床上和/或至床內熱交換設備的導管的外部上。冷凝的蒸汽形成冷凝的固體，從而在工藝流中從輕質氣體中分離，輕質氣體作為分離的輕質氣體流從容器排出。顆粒床可以包括任意類型的顆粒。在一個實施例中，顆粒床包括凝華的固體的顆粒。例如，其中二氧化碳從工藝流中分離，顆粒床可以包括固體二氧化碳的顆粒。顆粒也可以包括其它非可冷凝物質例如無機物(二氧化矽、氧化物、碳酸鹽等)來提高床中的顆粒大小的均勻性。但是，不要求顆粒是各向異性的。在凝華期間，在床中的顆粒和/或導管中蒸汽的冷凝導致床中大量積聚。可以將固體從容器中移除來保持希望的床體積和/或顆粒大小。在一個實施例中，將顆粒從較大顆粒易於堆積的床底部移除。通過從床移除顆粒來移除冷凝的固體可以用於促進系統的持續操作。這裡描述的系統和方法可以在適合於在工藝流中使可凝結蒸汽凝華的任意溫度和壓力下執行。在一個實施例中，容器中的壓力可以相對較低，例如，壓力在約環境壓力至約15psi或約環境壓力至約lOpsi，或環境壓力至約5psi的範圍內。在可替換的實施例中， 壓力可以相對較高，例如在約5psi至約IOOOpsi或更高，或約20psi至約500psi的範圍內。 在使二氧化碳凝華處，在顆粒床內選擇使氣體的二氧化碳直接轉換為固體二氧化碳的溫度和壓力。用於使二氧化碳凝華的溫度和壓力是眾所周知的。例如，在環境壓力下，二氧化碳蒸汽在低於約_78°C的溫度下凝華。在一個實施例中，可以在高壓下操作分離裝置(即，分離容器、顆粒床以及床內熱交換設備)這樣排出的輕質氣體流可以被進一步冷卻作為製冷氣體在床內熱交換設備中供使用。在一個實施例中，在分離容器中，使具有大於約5psi、大於約20psi或大於約50psi 的壓力的分離輕質氣體流膨脹來將分離的輕質氣體流冷卻至顆粒床的溫度以下的溫度。對分離的輕質氣體流的額外的冷卻可以使分離的輕質氣體流中的可凝結蒸汽的剩餘部分凝華。固體分離裝置可以用於移除在分離的輕質氣體流的膨脹中形成的固體。然後可以通過穿過顆粒床的導管內部來傳遞冷卻的分離的輕質氣體流從而從顆粒床吸取熱量。在可替換實施例中，可以使用不同於分離的輕質氣體流的方法來對床內熱交換設備進行冷卻。在一個實施例中，床內熱交換設備可以包括製冷單元。在該實施例中，可以使用用於對顆粒床進行冷卻的可以達到希望的溫度和散熱率的任意製冷系統。這裡描述的系統和方法也可以包括在分離裝置上遊執行的冷卻步驟。在將工藝流導入容器之前，一般使用一個或更多個熱交換設備來冷卻工藝流。在初始的冷卻工藝中，可以乾燥工藝流來移除水。在一個實施例中，使用一個或更多個回熱式熱交換設備來對工藝流進行冷卻，回熱式熱交換設備使用分離的輕質氣體流來冷卻工藝流。可以在直接位於分離容器下遊的熱量回收交換設備中使用分離的輕質氣體流，或可替換地，如上述可以在位於膨脹裝置下遊的回熱式熱交換設備和床內熱交換設備中使用分離的輕質氣體流。在一個實施例中，用於從氣體中分離可凝結蒸汽來形成固體的方法包括下面步驟的全部或一部分(i)提供包括可凝結蒸汽的工藝流；(ii)使用一個或更多個上流式熱交換設備來對工藝流進行冷卻；(iii)提供分離裝置，其包括具有工藝流入口和輕質氣體出口的容器；顆粒床；以及具有至少部分浸沒於顆粒床的一個或更多個導管的床內熱交換設備；(iv)將工藝流導入位於一個或更多個上流式熱交換設備下遊的分離裝置並使工藝流流過顆粒床；(ν)在一定的溫度和壓力下使用床內熱交換設備對顆粒床進行冷卻，該一定的溫度和壓力足以使工藝流中的至少一部分可凝結蒸汽從工藝流凝華至顆粒床上和/或床內熱交換設備的導管外部上，以形成冷凝的固體和分離的輕質氣體流；以及(Vi)通過輕質氣體出口從容器中移除分離的輕質氣體流。在一個實施例中，所述方法包括使用包括二氧化碳的工藝流和在適合於使二氧化碳凝華的溫度和壓力下操作分離裝置。所述方法還可以包括使顆粒床流化。在一個實施例中，可以在穩定的狀態中操作分離裝置，在該穩定的狀態中，在導管外部冷凝的固體的積聚速度與所冷凝的固體的移除速度大致相同。可以通過以下方式來提供穩定的狀態配置導管上的顆粒的碰撞使從導管上移除冷凝的固體的積聚的速度與積聚發生和/或從床移除固體的速度大致相等，從而保持床體積在希望的範圍內。本發明的這些和其它目的和特徵通過下面的描述和隨附的權利要求變得更加顯而易見，或可以通過實施下面所公開的本發明而認識到。


為進一步闡明本發明的以上以及其它優勢和特徵，將參照在附圖中說明的具體實施方式
來對本發明進行更詳細的描述。應意識到，這些圖僅描繪了本發明的示例性實施例， 而不應該理解為對本發明的範圍的限制。將通過使用附圖來描述和解釋本發明額外的特徵，其中圖1是用於從氣體中分離可凝結蒸汽的系統的示意圖。圖2是用於對分離容器上遊的工藝流進行冷卻的熱交換設備的示意圖。圖3是用於從分離容器上遊的工藝流移除雜質的熱交換設備的示意圖。圖4A示出了圖1的系統的分離容器。圖4B示出了圖4A的分離容器的分布板的俯視圖。圖4C是圖4A的床內熱交換設備的俯視剖視圖。圖5是用於使用高壓從氣體中分離可凝結蒸汽的系統的示意圖。
具體實施例方式這裡公開的系統和方法涉及從工藝流(例如，來自發電廠或動力廠的煙道氣)分離可凝結蒸汽來形成固體和分離的輕質氣體流。例如，在一個實施例中，所述方法和系統涉及從包括二氧化碳和氮氣的工藝流中冷凝二氧化碳蒸汽。所述系統和方法使用由床內熱交換設備冷卻的顆粒床來使可凝結蒸汽凝華。蒸汽在床顆粒上冷凝來形成固體或被吸收的液體，而沒有冷凝的較輕質氣體形成分離的輕質氣體流。冷凝的蒸汽以任何希望的方式使用。 例如，當冷凝的蒸汽是二氧化碳時，則之後可以使用任何適合的隔離技術來使固體二氧化碳融化和隔離。本發明的系統和方法可以用於分離任何工藝流中的可凝結蒸汽，所述工藝流包括氣體的混合物，其中一些氣體的相可以被容易地改變。工藝流一般產生於碳氫化合物加工處理廠。產生適合在本發明中使用的工藝流的碳氫化合物加工處理廠的例子包括但不限於燒煤的發電廠或動力廠、燒天然氣的發電廠或動力廠和/或燒燃料油的發電廠或動力廠。雖然本發明尤其優選供來自動力工廠的工藝流使用，但本發明也可以供其它工業工藝流使用，例如但不限於來自石油加工的工藝流。用於冷凝蒸汽的系統圖1是用於從氣體中分離可凝結蒸汽的示例的系統100的示意圖。系統100包括工藝流112，其與回熱式熱交換設備單元114成流體連通。回熱式熱交換設備單元114將工藝流冷卻至接近存在於工藝流112中的可凝結蒸汽的冷凝點的溫度。工藝流112流入顆粒床容器116，其包括顆粒床118和床內熱交換設備120。來自外部製冷單元121的冷卻劑對熱交換設備120進行冷卻，該熱交換設備120將顆粒床118冷卻至低於存在於工藝流112 中的可凝結蒸汽的冷凝點的溫度。隨著蒸汽流過顆粒床118，蒸汽在顆粒上凝結形成固體。 在進行冷凝過程中，可凝結蒸汽與流112中的其它氣體分離，由此形成輕質氣體流124。把作為固體顆粒流122的冷凝的固體從容器116中移除。在回熱式熱交換設備單元114中選擇地融化固體顆粒流122來為工藝流112提供冷卻。使用輕質氣體流IM來冷卻在熱交換設備單元114中的工藝流112。使用輕質氣體流IM和/或固體顆粒流122的冷卻工藝流112重新獲得對流112進行冷卻所消耗的一部分能量。該回熱工藝提高了整個分離系統100的效率。熱交換設備單元114可以包括任何數量的壓縮機、熱交換設備、送風機、泵、導管、 閥、感應器、控制器以及在本領域中用於對工藝流進行冷卻、乾燥、增壓和/或提純的其它已知的部件。圖2提供了包括多個熱交換設備214、216、218、220和222的回熱式熱交換設備單元114的說明性例子。一般首先在一個或更多個冷卻工藝中使用水和/或空氣將工藝流112冷卻至環境溫度。例如，使用本領域已知的技術在環境溫度下可以用水219對工藝流112進行冷卻來產生工藝流11加。在第二熱交換設備中，在熱交換設備218中對工藝流11 進行冷卻以使可能存在於工藝流11 中的任何水蒸汽冷凝從而產生乾燥的工藝流 112b。可以使用任何適合的冷卻劑121來冷卻工藝流11加。可以由流122和/或IM來提供冷卻劑121或使用本技術領域已知的非回熱技術對冷卻劑121進行冷卻，非回熱技術例如但不限於外部製冷單元。第二熱交換設備216可以包括用於移除冷凝的水124的分離
ο可以將乾燥的工藝流112b導入任何數量或任何型號的熱交換設備來將工藝流冷卻至剛好在存在於工藝流(即，要通過顆粒床移除的可凝結蒸汽)中的可凝結蒸汽的冷凝溫度以上的溫度。圖2顯示正在導入一系列熱交換設備218、220以及222然後通過送風機 223的工藝流112b。熱交換設備218、220以及222將工藝流冷卻至剛好在可凝結蒸汽的結霜或露點以上的溫度，並且送風機223提供壓力用於將所冷卻的工藝流注入到分離容器
7116 中。在一個實施例中，冷的分離的輕質氣體流IM作為冷卻劑流過熱交換設備218和 220。在熱交換設備218和220中，冷的分離的輕質氣體流2 可以與工藝流112b的流動成相反的流動，這樣，流124的較冷部分(即，上遊部分)與流124的較冷部分(即，下遊部分)進行熱接觸。可以通過使用對達到希望的冷卻效率必要的任意數量的熱交換設備來使輕質氣體流1 反方向於乾燥的工藝流112b流動得以完成。可替換地，或者除了使用多個熱交換設備，可以使輕質氣體流1 和工藝流112b在單一的熱交換設備中具有相反的流。例如，具有用於工藝流112b和輕質氣體流IM平行流動的導管的熱交換設備可以包括相反方向的流。相反的流可以有益於確保輕質氣體流124的最冷部分接觸到最冷的乾燥工藝流112b， 使得使用了輕質氣體流1 作為冷卻劑的工藝流112b可以達到最冷溫度。在熱交換設備單元114中使用冷的分離的輕質氣體流124作為冷卻劑回收了在冷卻氣體來形成輕質氣體流124中消耗的能量。由於熱力學定律阻止任何封閉系統達到 100%的效率，所以在系統100中某一時刻需要對工藝流112進行額外的冷卻來達到用於冷凝蒸汽的希望的低溫度。如有需要，可以在容器116的輸入部分先於容器116提供一部分外部冷卻來使工藝流112達到希望的溫度。回熱式熱交換設備單元114也可以包括利用固體顆粒流122來冷卻工藝流112的一個或更多個熱交換設備。可以使用工藝流112來融化和/或加熱工藝流112從而產生融化的(X)2流112a，其結果是對工藝流112進行冷卻。在示例實施例中，熱交換設備222對熱交換設備220的下遊的工藝流112進行冷卻來產生(X)2流11加。在可替換實施例中，可以在使用輕質氣體流1 作為冷卻劑的回熱式熱交換設備(例如，熱交換設備218和220)的上遊或下遊的熱交換器中使用顆粒流122。 也能在任意數量的熱交換設備中使用氣流122來提供希望的冷卻效率。也可以先於容器116配置回熱式熱交換設備114來移除一種或多種不同類型的雜質。雜質作為使用天然產品例如煤和石油來產生工藝流的結果經常被發現於工藝流中。在一個實施例中，工藝流可以包括但不限於萊、NOx, SOx、它們的組合以及已知的存在於在工業的工藝流中的任何其它雜質。在希望的溫度和壓力下可以通過在熱交換設備中使雜質冷凝來移除雜質。可以使用任意數量的熱交換設備和/或壓縮機和/或分離設備來使不純的蒸汽冷凝並從工藝流 112b中分離來產生純化的乾燥工藝流。在熱交換設備中使用的冷卻劑可以是分離的輕質氣體流124、冷凝的0)2流(例如，流122)或者來自於外部製冷單元或具有相當功能的設備的冷卻劑。通過選擇使雜質冷凝而其它可凝結蒸汽(例如，CO2)不冷凝的合適的溫度和壓力來進行雜質的分離。本領域的技術人員熟悉使一般發現於工藝流中的雜質冷凝所需要的溫度和壓力。這些雜質包括但不限於硫和氮的氧化物(S02、S03、N0、N02)、在冰點以下溫度的水、滷化氣體(HCL，HgCLx)汞、砷化合物以及煙道氣常見的和操作的、健康或環境關注的其它雜質。通常，這些化合物在顆粒或表面的溫度達到或在它們的冰點以下時凝華。下面在表1中提供相關的化合物通常的冰點表 權利要求
1.一種用於從氣體中分離可凝結蒸汽來形成固體的系統，包括分離容器，其具有工藝流入口和輕質氣體出口，其中，所述工藝流入口與包括可凝結蒸汽的工藝流成流體連通；顆粒床，其在所述分離容器內，所述顆粒床與所述工藝流流體連通，其中，所述工藝流具有足夠的壓力流過所述顆粒床的至少一部分；床內熱交換設備，其包括至少部分浸沒於所述顆粒床中的一個或更多個導管；以及其中，在所述床內的溫度和壓力足以使至少一部分所述可凝結蒸汽從所述工藝流凝華至所述顆粒床上和/或所述床內熱交換設備的所述導管的外部上以便形成冷凝的固體和分離的輕質氣體流，所述輕質氣體流通過所述輕質氣體出口從所述分離容器排出。
2.如權利要求1所述的系統，其中，所述顆粒床被流化。
3.如權利要求2所述的系統，其中，所述床中的顆粒的碰撞將一部分積聚的冷凝的固體從所述導管的外部移除。
4.如權利要求1所述的系統，其中，所述可凝結蒸汽包括二氧化碳。
5.如權利要求4所述的系統，其中，所述床內的所述溫度和壓力適合於使所述二氧化碳蒸汽的至少一部分凝華。
6.如權利要求1所述的系統，其中，所述壓力在約大氣壓力至約15psi的範圍內。
7.如權利要求1所述的系統，其中，所述壓力在約大氣壓力至約5psi的範圍內。
8.如權利要求1所述的系統，其中，所述床內的所述溫度約低於78°C。
9.如權利要求1所述的系統，其中，所述顆粒床具有的平均顆粒大小在約0.05mm至約 20mm的範圍內。
10.如權利要求1所述的系統，其中，所述顆粒床具有的平均顆粒大小在約0.Imm至約 IOmm的範圍內。
11.如權利要求1所述的系統，其中，所述顆粒床包括顆粒，所述顆粒包括二氧化碳。
12.如權利要求1所述的系統，還包括膨脹設備，其位於所述分離容器的下遊，所述膨脹設備被配置來通過降低壓力從而對所述輕質氣體流進行冷卻，其中，冷卻的所述輕質氣體流流經所述床內熱交換設備的所述導管的內部。
13.如權利要求1所述的系統，還包括回熱式熱交換設備，其被配置來使用位於所述分離容器下遊的所述分離的輕質氣體來對位於所述分離容器上遊的所述工藝流進行冷卻。
14.顆粒入口，其用於從所述顆粒床中導入和/或移除顆粒。
15.一種用於從氣體中分離可凝結蒸汽來形成固體的方法，包括 提供包括可凝結蒸汽的工藝流；使用一個或更多個上流式熱交換設備來對所述工藝流進行冷卻；提供分離裝置，該分離裝置包括容器，其具有工藝流入口和輕質氣體出口 ；顆粒床；以及床內熱交換設備，其包括至少部分浸沒於所述顆粒床中的一個或更多個導管； 將所述工藝流導入位於所述一個或更多個上流式熱交換設備下遊的所述分離裝置，並且使所述工藝流流過所述顆粒床；在一溫度和壓力下使用所述床內熱交換設備對所述顆粒床進行冷卻，所述溫度和壓力足以使所述工藝流中的可凝結蒸汽的至少一部分從所述工藝流凝華至所述顆粒床上和/ 或至所述床內熱交換設備的所述導管的外部上以形成冷凝的固體和分離的輕質氣體流；以及通過所述輕質氣體出口將所述分離的輕質氣體流從所述容器移除。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述分離裝置中的所述溫度和壓力使二氧化碳凝華。
17.如權利要求15所述的方法，還包括使所述顆粒床流化。
18.如權利要求17所述的方法，其中，所述流化床的顆粒的碰撞使一部分積聚的冷凝的固體從所述導管的外部移除。
19.如權利要求18所述的方法，還包括在平穩的狀態中操作所述分離裝置，在所述平穩的狀態中，作為所述流化床中的顆粒的所述碰撞的結果，在所述導管外部冷凝的固體的積聚速度與所述導管外部冷凝的固體的移除速度大致相同。
20.如權利要求15所述的方法，還包括對所述分離裝置下遊的所述分離的輕質氣體流進行冷卻，並在所述床內熱交換設備中將所述冷卻的、分離的輕質氣體流作為冷卻劑來使用。
21.如權利要求15所述的方法，其中，所述一個或更多個上流式熱交換設備包括回熱式熱交換設備，所述回熱式熱交換設備在位於所述分離裝置下遊的一點使用所述分離的輕質氣體流對位於所述分離裝置上遊的所述工藝流進行冷卻。
全文摘要
在工藝流中從輕質氣體中分離可凝結蒸汽例如二氧化碳。本發明的系統和方法使用由床內熱交換設備來冷卻的顆粒床從而使可凝結蒸汽從工藝流中凝華。可凝結蒸汽在床顆粒上冷凝而來自工藝流的未冷凝的輕質氣體形成分離的輕質氣體流。可以在回熱式熱交換設備中使用分離的輕質氣體流來冷卻工藝流。
文檔編號B01D7/00GK102427869SQ201080021604
公開日2012年4月25日 申請日期2010年3月16日 優先權日2009年3月16日
發明者L·L·巴克斯特 申請人:布萊阿姆青年大學