用于从燃烧气体中集成式分离二氧化碳气体的系统和方法
【专利说明】用于从燃烧气体中集成式分离二氧化碳气体的系统和方法
[0001]在先申请
[0002]本申请涉及申请日为2012年6月29日的、名称为“用于燃烧气体集成式吸附气体分离的系统和方法”的在先PCT申请PCT/CA2012/050451，其内容在此整体引作参考。本发明涉及在先提交的申请日为2011年8月26日的、名称为“利用热导性接触器结构吸附气体分离方法”的PCT申请PCT/CA2011/050521，其内容整体在此整体引作参考。本申请还涉及申请日为2010年2月26日的、名称为“平行通道式流体接触器结构”的PCT申请PCT/CA2010/000251，其内容整体在此也整体引作参考。
技术领域
[0003]本发明整体涉及从燃烧气体中集成式分离二氧化碳的方法和系统。具体来说，本发明涉及从燃烧气体中集成式分离二氧化碳并将已分离的燃烧气体循环到燃烧过程的方法以及实施该方法的系统。
【背景技术】
[0004]现有技术中，变温吸附方法用于多组分气体混合物的吸附分离。许多传统的变温吸附方法用于在吸附材料上优先吸附进料气体混合物中一个组分，以将其从其余进料气体混合物组分中分离，随后再生所述吸附材料，以解吸所吸附的组分并允许所述吸附材料的循环利用。
[0005]—种适于分离气体的工业方法包括燃烧方法，其中氧化剂和含碳燃料燃烧以产生机械能和副产物，例如热和燃烧过程的烟道气流。需要从燃烧过程中的烟道气中分离一种或多种气体组分，例如从化石燃料燃烧过程中的烟道气混合物中移除和/或封存二氧化碳。在这样的应用中，传统的变温吸附气体分离系统的额外能耗和低效率通常导致这样的变温吸附气体分离系统不理想地、低效地与化石燃料燃烧过程集成，导致不可接受的高投资、能量效率和/或气体分离效率的降低和运营成本。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的在于，提供一种克服了现有技术的一些缺陷的、用于燃烧气体的集成式吸附气体分离方法。
[0007]在本发明的一个实施例中，提供一种集成式吸附气体分离方法，用于分离源自燃料燃烧器的燃烧气流的至少一部分，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述方法包括以下步骤:
[0008](a)允许燃料流进入一燃料入口并允许氧化剂流进入所述燃料燃烧器的一氧化剂入口，以产生所述燃烧气流；
[0009](b)允许所述燃烧气流进入至少一吸附气体分离系统，所述吸附气体分离系统带有多个吸附剂接触器，每一吸附剂接触器包括至少一用于吸附所述二氧化碳组分的吸附材料；
[0010](C)允许所述燃烧气流进入至少一吸附剂接触器的一入口 ；
[0011](d)在至少一所述吸附材料上吸附所述燃烧气流的所述二氧化碳组分的至少一部分;
[0012](e)从至少一所述吸附剂接触器的一出口回收一第一产品流，所述第一产品流相对所述燃烧气流消耗了所述二氧化碳组分；
[0013](f)解吸在至少一所述吸附剂接触器内的至少一所述吸附材料上吸附的所述二氧化碳组分的一第一部分；
[0014](g)在至少一所述吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一第二产品流，所述第二产品流相对所述燃烧气流富集了所述二氧化碳组分；
[0015](h)解吸吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分；
[0016](i)在至少一所述吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一第三产品流，所述第三产品流包括所述二氧化碳组分的所述第二部分；和
[0017](j)循环所述第三产品流的至少一部分到所述燃料燃烧器的氧化剂入口用于燃
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[0018]在所述集成式吸附气体分离方法的一个优选实施例中，除了解吸所述二氧化碳组分的一第二部分外，所述方法还包括允许一调节流进入至少一所述吸附剂接触器。
[0019]在本发明的另一个实施例中，提供一种集成式吸附气体分离系统，用于分离燃烧气流的至少一部分，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述系统包括:
[0020](a) 一原动机，其包括一氧化剂入口、一燃烧室和一废气出口，其在操作时产生所述燃烧气流；
[0021](b) 一辅助热交换器，其包括一流体连接的、辅助热交换导管，所述辅助热交换导管通过一流体连接的以接收一加热流体流的加热导管来接收和加热一解吸流体流；
[0022](c) 一吸附气体分离器，其包括至少一吸附剂接触器，所述接触器带有一入口和一出口并包括至少一用来吸附所述二氧化碳组分的吸附材料；
[0023]其中，至少一所述吸附剂接触器流体连接，将来自所述原动机的所述废气出口的所述燃烧气流接收到至少一所述吸附剂接触器的所述入口，并将所述二氧化碳组分的至少一部分吸附在至少一吸附材料上；和
[0024]其中，所述吸附剂接触器流体连接，从所述辅助热交换导管接收所述解吸流体流，以在至少一所述吸附材料上解吸所述二氧化碳组分的至少一部分，产生富集二氧化碳的产品流；和
[0025]其中，所述解吸流体流以高于焊接压力不超过约2巴(bar)的压力进料气流进入所述辅助热交换导管。
[0026]在本发明又一个实施例中，提供一种吸附气体分离方法，用于分离气流的至少一部分，其中，所述气流包括至少二氧化碳和水组分，所述方法包括以下步骤:
[0027](a)允许所述气流进入一具有多个吸附剂接触器的吸附气体分离系统；
[0028](b)允许所述气流进入至少一所述吸附剂接触器的一入口，所述吸附剂接触器具有至少一吸附材料，用以吸附所述二氧化碳组分；
[0029](c)在所述至少一吸附材料吸附所述气流的所述二氧化碳组分的至少一部分；
[0030](d)在至少一所述吸附剂接触器的一出口回收一第一产品流，所述第一产品流相对于所述气流消耗了所述二氧化碳组分；
[0031](e)中止所述气流进入至少一具有至少一所述吸附材料的所述吸附剂接触器的所述入口 ；
[0032](f)通过加热至少一所述吸附材料来解吸在所述吸附剂接触器内的至少一所述吸附材料上吸附的所述二氧化碳组分的一第一部分；
[0033](g)在至少一所述吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一富集所述二氧化碳组分的一第二产品流；
[0034](h)解吸吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳组分的一第二部分；和
[0035](i)在至少一所述吸附剂接触器的所述入口和出口中至少一个回收一包括所述二氧化碳组分的一第三产品流；
[0036]其中，步骤(b)至步骤(i)在至少一所述吸附剂接触器顺序进行。
[0037]在本发明又一个实施例中，提供一种集成式吸附气体分离方法，用于分离源自一集成式气体分离系统的燃料燃烧器的燃烧气流的至少一部分，所述集成式气体分离系统包括所述燃料燃烧器和一气体分离系统，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述方法包括以下步骤:
[0038](a)允许燃料流进入一燃料入口并允许氧化剂流进入所述燃料燃烧器的一氧化剂入口，以产生所述燃烧气流；
[0039](b)允许所述燃烧气流进入所述气体分离系统；
[0040](c)在所述气体分离系统吸附所述燃烧气流的所述二氧化碳组分的至少一部分；
[0041](d)在所述气体分离系统内回收一烟道气流，所述烟道气流相对所述燃烧气流消耗了所述二氧化碳组分；
[0042](e)在所述气体分离系统内解吸所述二氧化碳组分的至少一第一部分；
[0043](f)至少周期性允许氧化剂流进入所述气体分离系统，以形成混合的氧化剂流；和
[0044](g)从所述气体分离系统至少周期性回收所述混合的氧化剂流，并至少周期性允许所述混合的氧化剂流的至少一部分进入所述燃料燃烧器的所述氧化剂入口 ；和
[0045]其中，在所述混合的氧化剂流中至少周期性回收基本上所有所述吸附的二氧化碳组分。
[0046]在本发明的又一实施例中，提供一种集成式吸附气体分离系统，用于分离燃烧气流的至少一部分，其中，所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水组分，所述系统包括:
[0047](a) 一燃料燃烧器，其包括一燃料入口、一氧化剂入口和一废气出口，其在操作时产生所述燃烧气流；
[0048](b) 一气体分离系统，其包括一燃烧气体入口、一氧化剂入口、一烟道气出口、一混合气体出口和至少一吸附剂接触器，所述吸附剂接触器包括至少一吸附材料，所述气体分离系统操作时通过在至少一所述吸附材料上吸附所述二氧化碳组分的至少一部分，来将所述二氧化碳组分从所述燃烧气流中分离；
[0049](c) —燃烧气体导管，其流体连接所述燃料燃烧器的所述废气出口和所述气体分离系统的所述燃烧气体入口 ；和
[0050](d) 一混合气体导管，其流体连接所述气体分离系统的所述混合气体出口和所述燃料燃烧器的所述氧化剂入口，用于从所述吸附气体分离系统中回收所述二氧化碳组分的基本上所有吸附部分。
【附图说明】
[0051]现在参考附图描述根据本发明示例性实施例的、用于燃烧气体的集成式吸附气体分离的系统和方法，附图中:
[0052]图1示出了根据本发明一个实施例的一个集成式吸附气体分离系统的示意图，其包括一燃气涡轮、一热回收蒸汽发生器(HRSG)、一蒸汽涡轮、一辅助热交换器、一燃烧气体冷却器、一吸附气体分离系统和一气体压缩系统。
[0053]图2示出了根据本发明另一个实施例的一个集成式吸附气体分离系统的示意图，其包括一燃气涡轮、一热回收蒸汽发生器(HRSG)、一蒸汽涡轮、一燃烧气体冷却器、一吸附气体分离系统、一气体压缩系统和一集成到所述HRSG的辅助热交换器。
[0054]图3示出了根据本发明一个实施例的、示例性的集成式二氧化碳气体分离系统在各种操作点的各种计算机模拟曲线，其根据本发明的一个实施例实施示例性集成式二氧化碳气体分离方法，其使用燃气涡轮，所述燃气涡轮采用天然气作为燃料、空气作为氧化剂并循环富集二氧化碳的气流到所述燃气涡轮。
[0055]图4示出了根据本发明一个实施例的、一个集成式吸附气体分离系统的一个示意图，其包括一燃料燃烧器和一气体分离系统，用于分离所述燃料燃烧器产生的燃烧气流的所述二氧化碳组分的至少一部分。
[0056]在整个附图中，类似的附图标记标明相应的部件。
【具体实施方式】
[0057]在本发明的一个实施例中，提供一种集成式二氧化碳气体分离方法，用于从燃料燃烧器中分离燃烧气流的至少一部分，其中所述燃烧气流包括至少二氧化碳和水(包括水汽和/或蒸汽)组分。所述集成式二氧化碳气体分离方法可以包括但不限于一吸附方法(例如下面详述的利用吸附材料)、一化学吸收方法(例如利用基于胺类的溶剂)和/或一膜分离方法(例如利用分子筛或陶瓷膜)。而且，所述集成式二氧化碳气体分离方法可以包括允许源自燃料燃烧器的燃烧气流基本上全部进入一体分离装置，或者允许源自燃料燃烧器的燃烧气流的至少一部分进入一分离装置。应当理解，在此公开和详细描述的方法可以和任何适当的已知二氧化碳分离过程和/或方法、任何适当的已知二氧化碳分离装置或系统一起使用，不限于在此根据多个示例性实施例描述的示例性吸附气体分离方法，还包括例如使用其他的适当的非吸附式二氧化碳分离过程、方法、装置或系统。
[0058]在一个示例性实施例中，吸附气体分离方法可以包括一变温吸附方法(称作“TSA”)，其中解吸吸附在吸附材料上的一燃烧气体组分的至少一解吸步骤主要由加热所述吸附材料来驱动。在一个替代实施例中，替代的解吸机制可以单独使用，诸如用适当的冲洗流体来冲洗或置换冲洗，或者与解吸所述吸附组分的加热结合使用。或者，所述吸附气体分离方法可以包括一变压吸附方法(称作“PSA”)，其中，解吸吸附在选择性吸附二氧化碳的吸附材料上的一燃烧气体组分的至少一解吸步骤主要由包括所述吸附材料的所述吸附剂接触器的压力变化驱动。在一个替代实施例中，替代的解吸机制可以单独使用，诸如用适当的冲洗流体来冲洗或置换冲洗所述吸附材料，或者与解吸所述吸附的燃烧气体组分的压力变化结合使用。在又一个替代实施例中，所述吸附气体分离方法可以包括一分压变压吸附方法(称作“PPSA”)，其中，解吸吸附在吸附材料上的一燃烧气体组分的至少一解吸步骤主要由包括所述吸附材料的所述吸附剂接触器中的至少一吸附气体组分的分压或浓度的变化驱动。在又一个替代实施例中，替代的解吸机制可以单独使用，诸如用加热吸附材料或压力变化，或者与解吸所述吸附的燃烧气体组分的分压变化结合使用。
[0059]在一个根据本发明的实施例中，所述燃料燃烧器可以包括任何适当类型的、主要使用环境空气作为燃烧的氧化剂的燃料燃烧装置。在其他实施例中，替代的氧化剂可以用于所述燃料燃烧器，例如但不限于添加氧气的空气或者或者氧气浓度高于环境水平的空气、基本上氧气、消耗了氧气的空气、含有比环境空气更少氧气的气流和循环的燃烧气体。根据本发明的实施例，燃料反应物例如但不限于气体燃料、液体燃料和/或固体燃料可以用于在所述燃料燃烧器燃烧。在一个特定实施例中，所述燃料燃烧器可以包括下组至少一个:涡轮燃料燃烧器诸如燃气涡轮燃烧器、组合式燃气涡轮燃烧器、轻质烃燃烧器、液体燃料(例如燃油/煤油/柴油/汽油/喷气燃料和其他的液体燃料)燃烧器、燃煤燃烧器(包括固态、粉末的、汽化的或其他形式的燃煤燃烧器，例如燃煤发电厂)、生物质固态和/或液体燃料燃烧器、蒸汽发生器/锅炉燃烧器和余热加热燃烧器(process heater combustor)(例如用于冶炼厂和/或工业过程来热处理流体和/或气体)。
[0060]在一个实施例中，所述集成式吸附气体分离方法可以包括一允许燃料流进入一燃料入口并允许氧化剂流进入燃料燃烧器的氧化剂入口，以生成一燃烧气流。所述方法随后可以包括一吸附步骤，允许源自所述燃料燃烧器的、包括至少二氧化碳和水组分的所述燃烧气流的至少一部分作为进料混合物进入一吸附气体分离系统。所述燃烧气流可以允许进入所述吸附气体分离系统内的、具有至少一吸附材料的至少一吸附剂接触器的入口。所述方法随后可以包括在所述吸附材料上吸附所述二氧化碳组分的至少一部分。所述方法还可以包括从所述吸附气体分离系统