从富含CO制造技术

本发明专利技术提供从含有氢气、氮气、氩气、CO及甲烷中的一种或多种或其组合的气体混合物中分离CO

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从富含CO2的气体混合物中去除或捕获CO2
技术介绍
煤炭、石油焦、生物质和其他含碳燃料是广泛可用且丰富的能源资源，其具有的现有基础设施产生的CO2占当前CO2排放中的较大比例。最近提议的对新发电机组的CO2排放量的限制要求在新的燃煤(或其他碳质燃料)发电厂中捕获CO2。需要显著降低碳捕获成本，以便降低碳捕获/封存对电力成本的影响，从而降低对社会的生活水平的影响。对于煤制化工品(coal-to-chemical)工艺(如煤制甲醇(coal-to-methanol)转化工艺和煤制液体燃料(coal-to-liquidfuel)工艺)来说，即使在要求碳封存之前，也有需要进一步降低CO2去除的成本和能耗。从含碳燃料气化器产生的气体(例如，在水煤气变换反应后，通过与水蒸汽反应将大部分CO转化为CO2和H2)中去除或捕获H2S和CO2的目前的技术是用聚乙二醇的二甲醚(DPEG)(Selexol)、或甲醇、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、碳酸亚丙酯和亚砜的物理吸收。虽然用于从这类来源封存的商业规模CO2捕获的法规仍在制定中，但从煤气中除去大部分CO2是商业规模煤制化学品、煤制液体燃料、甚至煤制合成天然气厂的一个重要步骤。从这种气体混合物中除去CO2是所有分离/去除(包括汞去除、脱硫和除湿)工艺流程中最耗能量并且是所需投资最多的。据专利技术人所知，目前还没有其他可用于从含碳燃料的气化器中大规模去除或捕获CO2的方法得以商业化。Consonni等(Consonni,S.,Vigano,F.,Kreutz,T,andDeLorenzo,L.；“CO2CAPTUREINIGCCPLANTSVIACRYOGENICSEPARATION”,SixthAnnualConferenceonCarbonCapture&Sequestration,Pittsburgh,2007)报道了对无硫和无水的煤气采用基于部分冷凝的方法比只用Selexol方法时少消耗约32％的电量。然而，在那个过程中，大量的燃料损失在捕获的CO2中，导致燃料的热值明显损失。同时由于其中的CO含量高而使所产生的CO2不适合安全储存。因此，如果不显著改进来解决燃料损失/CO2中高CO含量的问题，就难以实施这种基于部分冷凝的方法。此外，Consonni等人的方法采用多级氨制冷系统，其成本高且效率低，并且可能会不安全。例如，需要低至0.22巴(bara)的工作压力来提供90％的CO2的捕获所需的制冷水平，这可能需要非常大的制冷剂压缩机尺寸，并且如果制冷剂回路的负压部分存在泄漏，则有可能在制冷剂回路内形成爆炸性空气-氨混合物。此外，制冷剂和要冷却的工艺流的焓-温度(H-T)曲线匹配不好。制冷剂的温度在每个热交换器中基本相同，而工艺流的温度则随着冷却而降低，因此在涉及制冷剂蒸发的每个换热器中，工艺流的冷端的ΔT被挤压，而热端的ΔT很大，导致工艺流的热端部分有效热能(thermalexergy)的大量损失。这些损失最终造成制冷系统的压缩成本增加。为了减轻燃料损失和CO排放问题，Keller(Keller,A.,“CARBONDIOXIDECAPTUREANDLIQUEFACTION”,USPatent8,585,802)将部分冷凝与吸收或吸附或冷冻相结合，以更完全地捕获CO2，然后从部分冷凝和后续的分离单元中纯化合并的粗液体CO2流，以根据需要将CO2中的CO含量降至1000ppm或200ppm以下。Keller认为，在某些功率数和机械效率的假设下，与传统技术相比，可以节省大量电能。然而，与简单些的方法相比，Keller的方法相当复杂，需要高成本投入。此外，Keller的方法包含许多不可逆的步骤。例如，由于需要用于各种制冷剂的压缩机和增加的换热器，这种制冷级联不仅成本高，而且效率低。与Consonni等人使用的制冷系统类似，制冷剂和要冷却的流的焓-温度(H-T)曲线匹配不好，因此在每个冷却的热交换器中，工艺流的冷端的ΔT被挤压，而热端的ΔT很大，导致工艺流热端/热交换器部分有效热能的大量损失。从吸收器流出的富液的减压和/或吸附过程中压力均衡提供-吹扫(purge)与逆流排放(counter-currentblowdown)步骤也高度不可逆，造成效率上的显著损失和对循环压缩机的需求。Keller的方法中使用的各种制冷剂的减压以及不同温度的流的混合也是如此。此外，吸收、吸附和冷冻也各有其缺点。例如，在变温吸附和吸收分离过程中，引入附加材料(吸附剂和吸收剂)会导致传热时的寄生损耗。此外，在变压吸附过程中，压力均衡和排放过程中会发生较大的压降损失，通常需要昂贵的压缩机，而在冷冻分离过程中，固体处理通常会导致对复杂而昂贵的设备的需求与高度不可逆的过程。因此，尽管在过去几十年中已经建造了许多煤制甲醇、煤制液体燃料和其他涉及含碳材料气化-净化工艺的工厂，但是基于部分冷凝法的去除或捕获CO2的工艺尚未在商业净化工厂中实施。仍需要一种更高效、更简单的工艺，以降低从煤气化器产生的气体或CO2与沸点较低的组分(如氢气、氦气、氮气、CO和甲烷)的混合物中去除CO2或捕获CO2的成本。此外，电网的电力供需通常经历变动周期。能够应对电力高峰需求的电网需要额外发电能力上的投资。提供峰值电能的发电机通常是低效率燃气轮机，其热效率仅约为一直运行的基准发电系统的一半。期望减少用电高峰需求与非用电高峰需求之间的差异。
技术实现思路
在一总的方面，本专利技术涉及一种从混合物中分离CO2的方法，所述混合物包含CO2以及选自氢气、氮气、氩气、CO和甲烷的至少一种组分或其组合，其中所述混合物的压力为10巴(bar)以上，优选60巴-300巴，所述方法包括：1)冷却所述混合物以获得部分冷凝的流，2)将所述部分冷凝的流送入相分离器，以产生贫含CO2(CO2-depleted)的气体流和富含CO2的液体流，3)将来自所述相分离器的富含CO2的液体流分成至少两个液体子流，4)加热所述液体子流中的至少一个，从而形成至少一个两相子流，以及5)将所述至少一个两相子流和剩余的液体子流送入蒸馏塔，以产生基本上包含CO2的液体和基本上包含所述至少一种组分的顶部蒸汽(overheadvapor)，其中与温度较低的子流相比，将温度较高的子流送入所述蒸馏塔的较低位置。在另一总的方面，本专利技术涉及一种从混合物中分离CO2的方法，所述混合物包含CO2以及选自氢气、氮气、氩气、CO和甲烷的至少一种组分或其组合，其中所述混合物的压力为10巴以上，优选60巴-300巴，所述方法包括：1)用具有混合制冷剂的单回路制冷系统冷却所述混合物，以获得部分冷凝的流，2)将所述部分冷凝的流送入相分离器，以产生贫含CO2的气体流和富含CO2的液体流，以及3)将所述富含CO2的液体流送入蒸馏塔，以产生基本上包含CO2的液体和基本上包含所述至少一种组分的顶部蒸汽。在又一总的方面，本专利技术涉及一种从混合物中分离CO2的方法，所述混合物包含CO2以及选自氢气、氮气、氩气、CO、甲烷的至少一种组分或其组合，其中所述混合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从混合物中分离CO

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171011 US 62/570,9761.一种从混合物中分离CO2的方法，所述混合物包含CO2以及选自氢气、氮气、氩气、CO和甲烷的至少一种组分或其组合，其中所述混合物的压力为10巴以上，优选60巴-300巴，所述方法包括：
1)冷却所述混合物以获得部分冷凝的流，
2)将所述部分冷凝的流送入相分离器，以产生贫含CO2的气体流和富含CO2的液体流，
3)将来自所述相分离器的富含CO2的液体流分成至少两个液体子流，
4)加热所述液体子流中的至少一个，从而形成至少一个两相子流，以及
5)将所述至少一个两相子流和剩余的液体子流送入蒸馏塔，以产生基本上包含CO2的液体和基本上包含所述至少一种组分的顶部蒸汽，其中与温度较低的子流相比，将温度较高的子流送入所述蒸馏塔的较低位置。


2.根据权利要求1的方法，其中
所述混合物包含CO2、氢气、CO和少量惰性气体组分，如氮气和氩气，优选地，所述混合物获得自含碳材料的气化。


3.根据权利要求1或2的方法，进一步包括：
a.将所述顶部蒸汽冷却至高于CO2冻结温度15K或更少的温度，并部分冷凝所述顶部蒸汽以形成第二液体和蒸汽，以及
b.将所述第二液体送入所述蒸馏塔的顶部。


4.根据权利要求1或2的方法，进一步包括：
a.将所述顶部蒸汽的至少一部分送入分凝器，以获得第三液体和蒸汽，以及
b.将所述第三液体的至少一部分送入所述蒸馏塔的顶部。


5.根据权利要求1至4中任一项的方法，其中
将具有混合制冷剂的单回路制冷系统用于为步骤(1)的冷却提供至少一部分制冷作用，并且其中将来自所述蒸馏塔的液体至少一部分加热、蒸发、进一步加热和膨胀来发电。


6.根据权利要求1至4中任一项的方法，进一步包括
在两个或更多个压力下蒸发所述基本上包含CO2的液体，从而为冷却所述混合物提供至少一部分制冷作用。


7.根据权利要求6的方法，其中所述蒸馏塔的压力低于从所述相分离器出来的富含CO2的液体流的压力，并将要加热到较高温度的液体子流的压力在加热前降低至高于所述蒸馏塔的压力的水平。


8.根据权利要求1至7中任一项的方法，其中
使来自所述相分离器的贫含CO2的气体流的至少一部分在加热后膨胀到较低压力来做功，任选地，所述功为所述混合物的冷却提供制冷作用。


9.一种从混合物中分离CO2的方法，所述混合物包含CO2以及选自氢气、氮气、氩气、CO和甲烷的至少一种组分或其组合，其中所述混合物的压力为10巴以上，优选60巴-300巴，所述方法包括：
1)用具有混合制冷剂的单回路制冷系统冷却所述混合物，以获得部分冷凝的流，
2)将所述部分冷凝的流送入相分离器，以产生贫含CO2的气体流和富含CO2的液体流，以及
3)将所述富含CO2的液体流送入蒸馏塔，以产生基本上包含CO2的液体和基本上包含所述至少一种组分的顶部蒸汽。


10.根据权利要求9的方法，其中在步骤(1)中，使用包括以下的制冷方法通过具有混合制冷剂的单回路制冷系统冷却所述混合物：
a.在制冷剂压缩机中压缩包含两种或更多种组分的蒸汽制冷剂，以获得压缩的制冷剂，
b.用外部冷却剂冷却所述压缩的制冷剂，以获得部分冷凝的制冷剂，
c...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建国，
申请(专利权)人：徐建国，
类型：发明
国别省市：美国;US