二氧化碳的纯化制造技术

在高压和低于环境温度操作的二氧化碳纯化装置(CPU)中的制冷负荷可至少第一部分通过针对至少一种液体第一制冷剂(优选在CPU中产生的二氧化碳液体)的至少潜热的间接热交换从而一般使液体蒸发来提供，而第二部分通过与第二制冷剂的单独显热能的间接热交换来提供。第二制冷剂可以为从集成低温空气分离装置(ASU)输入的氮气，或者从CPU输出、冷却并返回到CPU的二氧化碳液体。一个优势是CPU和集成的ASU的总功率消耗减少。

【技术实现步骤摘要】
二氧化碳的纯化
本专利技术涉及用低温二氧化碳纯化方法纯化粗二氧化碳气体的方法。具体地讲，本专利技术在于以下方式：为了减少总能量消耗可提供用于此方法的制冷负荷(refrigerationduty)。本专利技术特别应用于从含氧燃料燃烧过程产生的烟道气收集二氧化碳以增加用于发电的蒸汽的过程，其中在低温空气分离装置(ASU)中产生用于燃烧的氧。
技术介绍
已认定，全球变暖的主要原因之一是人类学效应导致大气中温室气体污染的增加。排出的主要温室气体，二氧化碳(CO2)，其在大气中的浓度已从工业革命前的270ppm增加到当前数字约378ppm。CO2浓度进一步增加不可避免，直到控制CO2排放。CO2排放的主要源是燃烧化石燃料的发电站和来自供给石油燃料的车辆。为了持续产生维持国家经济和生活方式所需的电力，使用化石燃料是必需的。因此，需要设计能够借以从燃烧化石燃料的发电站收集CO2以便能够储存而不是排入大气的有效方法。储存可以在海底深处、地质构造(例如，盐水含水层)或贫油或天然气层。或者，CO2可用于提高油回收(EOR)。通过在富氧(例如，大于20%重量)气氛燃烧燃料，例如碳质燃料、烃燃料和生物质，产生由CO2和水蒸气组成的净燃烧产物，含氧燃料燃烧寻求减轻CO2排放的有害影响。从燃烧粉煤的动力锅炉收集CO2的含氧燃料方法描述于题为“从先进超临界PF和NGCC动力设备收集CO2的氧燃烧方法”(Oxy-combustionprocessesforCO2capturefromadvancedsupercriticalPFandNGCCpowerplants)(Dillon等，GHGT-7，Vancouver，2004年9月)的论文，其公开内容通过引用结合到本文中。用于燃烧的氧一般从ASU供应。然而，用纯氧燃烧可导致很高的燃烧温度，这在炉或锅炉中不可行。因此，为了调节燃烧温度，通常在冷却后，使燃烧中产生的全部烟道气的部分循环回到燃烧器。然后处理净烟道气，以产生二氧化碳，供储存或使用。含氧燃料燃烧产生粗烟道气，粗烟道气主要包含CO2与污染物，例如，水蒸气；“不可冷凝的”气体，即不容易通过冷却冷凝的来自化学过程的气体，例如过量燃烧氧(O2)和/或从任何空气泄漏进入系统得到的O2、N2和氩(Ar)；及酸性气体，例如从燃料中组分作为氧化产物或通过N2和O2在高温化合产生的SO3、SO2、氯化氢(HCl)、NO和NO2。烟道气中存在的气体杂质的精确浓度取决于多个因素，例如燃料组成、燃烧器中N2的量、燃烧温度和燃烧器和炉的设计。将水和酸性气体从压缩到高压的烟道气去除。然后使气体在低于环境温度或低温二氧化碳纯化装置(CPU)中纯化，以产生纯二氧化碳。通过蒸馏或部分冷凝和相分离，可纯化二氧化碳。通常，最后纯化的CO2产物应理想地作为高压流体流产生，用于送入管线，以便将其输送至储存或使用场所(例如，在EOR)。CO2必须干燥，以避免腐蚀例如碳钢管线。CO2杂质量不得危害地质学储存场所的完整性，特别是若CO2要用于EOR，并且运输和储存不得违反控制输送和处理气流的国际和国家条约和法规。图1描绘可与含氧燃料燃烧装置集成的单独现有技术CPU和ASU方法。在CPU中，来自含氧燃料燃烧装置(未显示)的富CO2烟道气流100在压缩机102中压缩到约30bar(3MPa)，以产生经压缩的烟道气流104。流104在干燥器装置106中干燥，并作为流108进料到主热交换器162，在此，通过间接热交换冷却到约-32℃，以产生部分冷凝流110。将流110进料到第一相分离器112，用于分离成蒸气流114和二氧化碳液体流116。来自此第一分离器的蒸气流114被进料到主热交换器162，在此，其被进一步冷却到约-54℃，并且部分冷凝。部分冷凝流124被进料到第二相分离器126，在此将其分离成蒸气流128和二氧化碳液体流132。含有不可冷凝气体的流128在主热交换器中温热产生流130，并且可在压力下排出，加热并膨胀以回收功率(power)，或者可在过程内膨胀以提供制冷。来自第一分离器112的二氧化碳液体流116分成两个流。第一流154在泵156中泵压到110bar(11MPa)的最终CO2压力，作为流158进料到主热交换器162，在此，其通过间接热交换被蒸发并温热，以产生二氧化碳气体流160。第二流117在阀118中减压，以产生在约18bar(1.8MPa)的经减压二氧化碳液体流120，然后被进料到主热交换器162，在此，其被蒸发并温热，以产生二氧化碳气体流122。二氧化碳液体流132被温热，产生经温热二氧化碳液体流134，然后在阀136中减压，以产生在约8bar(0.8MPa)的经减压二氧化碳液体流138。流138被进料到主热交换器162，在此其被蒸发并温热，以产生经温热二氧化碳气体流140。流140在第一CO2产物压缩机142中压缩，以产生在约18bar(1.8MPa)的经压缩二氧化碳气体流144。二氧化碳气体流144和122合并，经合并流146在第二CO2产物压缩机148中压缩，以产生在约110bar(11MPa)的经压缩二氧化碳气体流150。流150和160合并形成产物流152。CPU中的制冷负荷主要通过与从烟道气产生的二氧化碳液体间接热交换来提供，并且冷却负荷的约6%通过与包含不可冷凝气体的流128间接热交换来提供。图1所例示ASU具有三个塔，即较高压力塔1050、中间压力塔1022和较低压力塔1110。环境空气流1000在主空气压缩机的第一部分1002中压缩，以产生经压缩空气流1004，然后在前端纯化装置1006中冷却并清除杂质，以产生流1008，流1008分成两个部分，流1010和1040。第一部分1010直接流到主热交换器1012，第二部分1040进一步在主空气压缩机的第二部分1042中压缩，然后作为流1044被进料到主交换器。中间压力流1010被冷却到中间温度，并分成两个部分。第一部分1014在膨胀器1016中膨胀，以形成经膨胀流1018，并被进料到较低压力塔1110。第二部分进一步在主交换器1012中冷却，并作为流1020进料到中间压力塔1022。较高压力流1044在主交换器1012中冷却到接近其露点，以形成流1046，然后分成另外的两个流1048和1060。流1048供给较高压力塔1050。流1060在氧产物再沸器1062中冷凝形成流1064，流1064分成流1068和1072。流1068在阀1070中减压，并被进料到较高压力塔1050。流1072在阀1074中减压，以形成流1076，然后被进料到中间压力塔1022。在较高压力塔1050和中间压力塔1022两者中，蒸气空气进料分离成富氮塔顶蒸气和富氧塔底液体。来自较高压力塔1050的富氧液体流1052在阀1054中减压，然后作为流1056进料到中间压力塔的底部。富氧液体流1024从中间压力塔1022的底部去除，在阀1026中减压，并作为流1028进料到用于中间压力塔1022的冷凝器1030。经减压富氧液体通过间接热交换部分沸腾，以产生液体和蒸气部分，二者分别作为流1032和1034进料到较低压力塔1110。来自较高压力塔顶部的富氮塔顶蒸气在主再沸器-冷凝器1120中通过间接热交换冷凝，并且所得液体的部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在二氧化碳纯化装置(“CPU”)中在高压下纯化含有至少一种不可冷凝气体污染物的粗二氧化碳气体的方法，所述方法包含：将粗二氧化碳气体进料到CPU；将来自所述粗二氧化碳气体的二氧化碳气体冷却并冷凝；和将经冷凝二氧化碳气体与所述不可冷凝气体污染物分离，以产生至少一种二氧化碳液体和包含所述不可冷凝气体污染物的尾气，其中所述方法需要用于使二氧化碳气体冷却和冷凝的制冷负荷，所述制冷负荷至少第一部分通过针对至少一种液体第一制冷剂的间接热交换从而使所述第一制冷剂蒸发来提供，而第二部分通过针对至少一种第二制冷剂的单独显热能的间接热交换来提供。

【技术特征摘要】
2011.11.04 US 13/2893631.一种在二氧化碳纯化装置(“CPU”)中在高压下纯化含有二氧化碳和至少一种不可冷凝气体污染物的来自含氧燃料燃烧过程的烟道气的方法，所述方法包含：将烟道气进料到CPU；将来自所述烟道气的二氧化碳气体冷却并冷凝；和将经冷凝二氧化碳气体与所述不可冷凝气体污染物分离，以产生至少一种二氧化碳液体和包含所述不可冷凝气体污染物的尾气，其中所述方法需要用于使二氧化碳气体冷却和冷凝的制冷负荷，所述制冷负荷至少第一部分通过针对至少一种液体第一制冷剂的间接热交换从而使所述第一制冷剂蒸发来提供，而第二部分通过针对至少一种第二制冷剂的单独显热能的间接热交换来提供；其中所述液体第一制冷剂或各液体第一制冷剂通过针对冷却和冷凝烟道气的所述间接热交换而蒸发，并且其中所述制冷负荷具有使所述烟道气冷却和冷凝两者的较冷部分和使烟道气冷却而不冷凝的较温部分，并且其中所述第二制冷剂或各第二制冷剂提供所述制冷负荷的较冷部分的至少一部分；其中所述CPU包含两个相分离器，所述方法包含：冷却并冷凝烟道气中的二氧化碳气体；在第一相分离器中将经冷凝二氧化碳气体与所述不可冷凝气体污染物分离，以产生第一二氧化碳液体和包含所述不可冷凝气体污染物的第一塔顶蒸气；将所述第一二氧化碳液体分成三个部分；泵抽所述第一二氧化碳液体的第一部分，以产生经泵抽第一部分；减小所述第一二氧化碳液体的第二部分的压力，以产生经减压第二部分；泵抽所述第一二氧化碳液体的第三部分，以产生经泵抽第三部分，并使经泵抽第三部分冷却，以产生经冷却第三部分；使所述第一塔顶蒸气中的二氧化碳气体冷却和冷凝；在第二相分离器中使经冷凝二氧化碳气体与所述不可冷凝气体污染物分离，以产生第二二氧化碳液体和所述包含所述不可冷凝气体污染物的尾气；通过间接热交换温热所述尾气，以产生经温热尾气；和在任选温热所述液体后减小所述第二二氧化碳液体的压力，以产生经减压第二二氧化碳液体；其中提供制冷负荷的第一部分的液体第一制冷剂为第一二氧化碳液体的经泵抽第一部分、第一二氧化碳液体的经减压第二部分和经减压第二二氧化碳液体，并且其中第二制冷剂为第一二氧化碳液体的经冷却第三部分。2.权利要求1的方法，其中制冷负荷的所述第一部分的至少部分通过所述二氧化碳液体至少之一作为所述液体第一制冷剂来提供。3.权利要求1的方法，其中所述制冷负荷的另外部分通过针对所述尾气间接热交换来提供。4.权利要求3的方法，其中所述另外部分不大于所述制冷负荷的10%。5.权利要求3的方法，其中所述第一和第二部分提供所述制冷负荷的其余部分。6.权利要求1的方法，其中所述第二制冷剂具有足够低的温度，以使所述烟道气冷却到低于CO2露点温度。7.权利要求6的方法，其中所述第二制冷剂具有足够低的温度，以使所述烟道气冷却到接近CO2三相点温度。8.权利要求1的方法，其中所述第二制冷剂具有足够低的温度，以使所述烟道气冷却到约-56℃至约10℃的温度。9.权利要求1的方法，其中所述第二制冷剂以...

【专利技术属性】
技术研发人员：P希金博萨姆，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：