[发明专利]二氧化碳的纯化

说明书

发明背景

本发明涉及一种用于选自碳质燃料、烃质燃料及其混合物的燃料有氧燃烧的方法和设备。本发明包括用于从原料气中分离出二氧化碳并使用分离出的二氧化碳提高有氧燃烧过程的燃烧性能的膜分离系统。

急需开发一种从化石燃料、碳质燃料或烃质燃料生产电能同时捕获二氧化碳的新方法。这个新的方法理想地应该比现有的方法更有效率且更加节约成本。本文中考虑含氧燃料的燃烧过程。

在含氧燃料的燃烧过程中，燃料在纯氧中燃烧，非必须地循环冷却烟道气、蒸气或者水来控制适当的火焰温度。去除燃烧产生的大量氮气后经冷却和水冷凝具有高二氧化碳浓度的净烟道气。

含氧燃料的燃烧过程理想地适用于传统的产生发电用蒸气的煤粉锅炉。含氧燃料在煤粉锅炉中的使用生成净烟道气，该净烟道气在冷却并所含水蒸气冷凝后，通常包含大约65mol％到大约95mol％的二氧化碳和高达约5mol％的氧气，剩余成份大部分为氮气和氩气。氧气、氮气和氩气称为“污染物气体”。

烟道气里含有的大部分氧气来源于完全的燥燃烧过程所需过量的氧。其余的氧气来自于漏入到锅炉以及对流段中的空气。烟道气里的氮气和氩气来自供给煤燃烧的氧气进料和漏入到锅炉及对流段中的空气，其中氧气进料的氧气纯度为90mol％-99.6mol％，通常为95mol％-97mol％的氧气。

烟道气中还含有诸如酸性气体的杂质和其他产生于煤和燃烧过程的杂质。这些杂质包括二氧化硫、三氧化硫、氟化氢、氯化氢、一氧化氮、二氧化氮、汞等等。烟道气(经过清洗和干燥)中这些杂质的总量取决于燃料的组成和燃烧条件。

从烟道气中提取的二氧化碳被储存进，比如地质构造中之前，烟道气必须被净化。在这一过程中，可溶于水的成分如三氧化硫、氟化氢和氯化氢通常通过与水的直接接触从烟道气中去除，水不但洗涤出这些成分而且冷却了烟道气并将水蒸气冷凝。二氧化硫和一氧化氮也如2005年11月28日提交的美国专利申请NO.11/287640中提到的一样，在二氧化碳被压缩到管线压力期间被除去，所述专利申请在此引入作为参考。这一过程同样去除可能存在于二氧化碳中的任何汞。

二氧化碳的管线压力通常为从约100bar到约250bar，远高于二氧化碳的临界压力。优选除去大部分的污染物气体以减少压缩二氧化碳所需的能量并且确保在管道或者二氧化碳将被储存的地质构造中不出现两相流。

当二氧化碳用于浓缩油或气体的回收时，氧的存在可能导致问题，因为钻孔设备可能因氧化导致腐蚀问题。二氧化碳纯度的典型指标是污染物的最大量为3mol％，在将二氧化碳处理用于浓缩油回收的情形中，最大氧含量将通常在100ppm或更低，甚至低到1ppm。

目前用于二氧化碳纯化的下一阶段的技术使用这样一种方法：在大约30bar的压力下，通过冷却粗二氧化碳至非常接近二氧化碳的凝固点的温度，从约30bar压力下的压缩干燥并预加热后的粗二氧化碳流中去除污染物气体，此时二氧化碳的分压在约7bar到约8bar。分离含有约25mol％的二氧化碳残余气体并在加热和膨胀产生能量后排放。这个单一过程得到约90％的二氧化碳回收率。如果能够非常经济地获得极高的二氧化碳的回收率，例如高于97％，那么含氧燃料的燃烧过程将会有显著改善。

用于将矿物燃料的含氧燃料燃烧过程产生的二氧化碳输送到地质储藏位置的现有技术基于将其压缩到约100bar到约250bar的管线压力来进行。对于较小的二氧化碳排放源或管线太昂贵的情形，一种可选择的方法是使二氧化碳液化，并在低于它的临界压力的压力下以液态的形式例如在大的海上油轮中运输。在与管道运输接近的环境温度下，如果二氧化碳的净化过程能够在近环境温度下经济地生产用于管线运输的液态二氧化碳产品而非超临界状态下的二氧化碳流，那么含氧燃料的燃烧过程将会得到显著改进。

在含氧燃料的动力系统中捕集碳的重要目的是提供一种处理压缩的粗二氧化碳的方法，以除去氮气和氩气的方法，并将氧浓度降低至100ppm以下，优选具有低能量耗和高的二氧化碳回收率。二氧化碳的回收率(基于总烟道气流中的二氧化碳)理想地应当高于97％。此外，如果净化的二氧化碳产品是在低于它临界压力的压力下以低温液流的形式产生，那么以液态形式或以超临界流体形式运输到二氧化碳储存地很便利。