[发明专利]从低浓度源回收二氧化碳

说明书

背景技术

多种因素推动从气体混合物中回收二氧化碳，包括工业二氧化碳市场、提高石油采收率(EOR)和减少温室气体排放。在美国，迄今尚未在联邦层面规定二氧化碳排放。在2007年，美国最高法院判决环境保护署(EPA)有权力规定二氧化碳排放。另外，在2009年1月26日，美国总统奥巴马签署总统备忘录，要求EPA重审其之前对加州提出的关于州采用或执行排放标准的法定禁止的豁免权请求的否决。加州已寻求该豁免权以对来自机动车的温室气体排放(包括二氧化碳)加以限制。因此，对于在美国经营的许多公司而言，二氧化碳回收最近变得更重要。

许多人已提出从气体混合物中回收二氧化碳的方法。一些实例包括单独或与膜结合使用变压或变温吸附(PSA或TSA)。授予Gittelman等人的美国专利No.6,309,445教导经由PSA或TSA从空气中除去二氧化碳。授予Doshi等人的美国专利No.5,411,721教导使用膜和PSA的组合从天然气进料流中除去二氧化碳。但是，由于要求压缩整个进料流，PSA往往能量密集，以致该方法昂贵和不适合许多用途。

真空变压吸附(VSA)是用于分离气体的另一方法。与PSA类似，VSA使用吸附剂在最低压力下根据各气体分子特性和对吸附剂的亲合力分离气体混合物中的某些气体。这些吸附剂在接近环境压力下优先吸附目标气体种类。该方法之后利用真空产生富含目标物质的料流和使吸附剂材料再生。

VSA有时被描述为PSA类别的亚类。但是，VSA与PSA的不同在于，PSA在分离过程中使用加压气体进料并通常排放至大气压，而VSA借助真空将气体进料吸过分离过程。另外，VSA在接近环境压力下运行。还存在混合真空变压吸附(VPSA)系统，其中如在PSA法中那样在分离过程前将气体进料加压，而如在VSA法中那样利用真空产生富含目标物质的料流和将吸附剂材料再生。

美国专利申请公开Nos.2007/0227353、2007/0232706和2008/0072752(都转让给Praxair，Inc.)利用VSA法从在蒸汽甲烷重整器内形成的合成气流中除去二氧化碳。但是，蒸汽甲烷重整器产生大约200至大约500psia、或大约13巴至35巴的高压排放源。Paul Webley等人已使用VSA法从废气中回收二氧化碳(参见来自American Institute of Chemical Engineer’s 2005 Annual Meeting#439b的摘要)。但是，回收的二氧化碳的纯度仅限于最大90％并因此不适合许多用途。缺乏从具有低二氧化碳浓度的低压气体混合物中回收和提纯二氧化碳的低成本方法。

发明概述

本发明公开了从具有相对较低二氧化碳浓度的低压气体混合物中回收二氧化碳的相对低成本方法和系统。可获得低压气体混合物的合适源的非限制性实例包括来自矿物燃料燃烧发电厂、工业炉、水泥窑、或者氧或空气燃烧设施的烟道气、或发动机或石灰窑的废气(下文称作“烟道气”)。烟道气通常在环境压力下获得。就低压而言，申请人是指大约1至大约5绝对大气压(atma)，优选大约1.2至大约3.5atma，更优选大约1.5至大约2.5atma。通常，烟道气中的二氧化碳浓度为大约5体积％至大约25体积％，其余浓度主要为氮气。在许多情况下，烟道气含有杂质，例如O₂、NOx、SOx、烟炱和飞灰。如果在食品和饮料工业中使用所得二氧化碳产品，这些杂质就成了问题。因此，可能需要预处理或后处理系统除去杂质，例如变温吸附法。用于除去O₂、NO_x、SO_x、烟炱和飞灰的合适的预处理或后处理技术的细节是本领域技术人员公知的，不需要在本文中重述它们的细节。

本发明回收方法和系统获得来自烟道气的低压气体混合物，并将该气体混合物送入具有一个或多个吸附剂床和真空泵的VSA单元的吸附剂床。该吸附剂床具有吸附二氧化碳的材料。使用真空泵从吸附剂床抽吸富二氧化碳流。可以将该富二氧化碳流收集在缓冲罐中。使富二氧化碳流从缓冲罐经过压缩机并压缩至所需压力。然后将压缩的富二氧化碳流送入气体提纯单元。气体提纯单元产生二氧化碳产物和贫二氧化碳流。将贫二氧化碳流送回VSA单元，在此其可以将一个或多个吸附剂床加压或与气体混合物合并。

通过由小或大规模来源经济地提供高品质二氧化碳，所公开的方法和系统可用于常规商业二氧化碳源不易得的领域。

所公开的方法和系统可包括下述方面的一个或多个：

●所述气体提纯单元包含一个或多个膜。

●所述气体提纯单元包含变压吸附单元。