[发明专利]通过直接接触热交换将可冷凝蒸气与气体分离的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年11月19日提交的、名称为METHOD FOR A DESUBLIMATING HEAT EXCHANGER(用于凝华热交换器的方法)的美国临时专利申请系列号61/458,229的权益和优先权，其通过引用以其整体并入本文。

背景技术

1.发明领域

本发明涉及通过凝华热交换液体中的可冷凝蒸气将可冷凝蒸气(例如，二氧化碳)与气体分离的系统和方法。

2．相关技术

将二氧化碳与其它轻质气体(light gas)如氮气分离对于实现二氧化碳隔离是重要的。来自常规发电站的烟道气一般包括大约4%(vol.)至大约16%(vol.)的二氧化碳(CO₂)。通常认为，该CO₂代表了增加温室效应和全球变暖的一个重要因素。因此，对于从烟道气中捕获CO₂以便产生可被容易运输至安全储存位置或进一步应用的CO₂浓缩流的有效方法存在明确的需要。CO₂已经通过几种技术从气流中捕获，其中最普通的技术包括：氧燃烧(oxyfiring)，其中将氧气从空气中分离，然后燃烧，产生基本上纯的CO₂流出物；吸收，其中CO₂被选择性地吸收至液体溶剂中；膜，其中CO₂通过半渗透塑料或陶瓷膜被分离；吸附，其中CO₂通过吸附在特别设计的固体颗粒表面上被分离；化学循环，其中碳氧化和氧气消耗通过反复利用的介质一般是金属氧化物进行物理上分离；以及低温/高压方法，其中分离通过冷凝CO₂完成。

在过去，从烟道气中捕获CO₂的最经济的技术是用胺溶液洗涤烟道气以吸收CO₂。该技术已经商业上用于小规模工艺以及用于专用工艺。但是，其在公用工程规模发电站中还未被采用，这主要是因为该技术引起发电站总效率的不可接受的降低。

已经受到显著关注的另一类型方法是氧燃烧系统，其使用通常在空分装置(ASU)中产生的氧气而不是空气用于燃烧主要的燃料。常常将氧气与惰性气体如再循环的烟道气混合以保持燃烧温度处于适合的水平。氧燃烧过程产生具有CO₂、水和O₂作为主要成分的烟道气；CO₂浓度一般大于按体积计大约70%。烟道气的处理常常需要从烟道气中去除空气污染物和非冷凝气体(如氮气)，然后将CO₂送至储存。

简述

本公开描述了用于在连续分离过程中将可冷凝蒸气(例如，二氧化碳)与其它气体(例如，氮气)分离的系统和方法。该分离过程在直接接触热交换器(DCHE)中执行，其中包括可冷凝蒸气和轻质气体的工艺流与非挥发性热交换液体(NVHEL)进行直接物理接触。NVHEL冷却工艺流并且引起可冷凝蒸气凝华，从而形成凝华的固体和NVHEL的浆液。可冷凝蒸气的凝华还引起蒸气与工艺流中的其它气体分离，从而形成分离的轻质气体流。

冷凝的固体例如但不限于二氧化碳可在升高的压力下融化以形成液体，并且使用任何适合的隔离技术进行隔离。例如，分离的二氧化碳可被注入至含水层或其它合适的地下储层。

DCHE的使用在凝华工艺流和NVHEL之间产生交换热的净效果。但是，其完成这个而没有使任何固定的传热表面结霜、结垢或任何其它抑制传热的质量积聚。NVHEL是在其上可积聚固体的传热表面，并且其在液体中的积聚不会阻止DCHE中的传热。DCHE中的热交换是通过直接接触，并且比通过热交换壁更加有效。而且，DCHE是液体-流体系统，其比其它热交换器中的气体-流体系统尤其更加有效。

用于将可冷凝蒸气与气体分离的方法的一个实施方式包括下列步骤中的全部或一部分：(i)提供包括可冷凝蒸气和轻质气体的工艺流；(ii)使用一个或多个上游热交换器冷却工艺流；(iii)提供包括容器内的NVHEL的DCHE单元；(iv)将工艺流从一个或多个上游热交换器引入下游DCHE，并且使工艺流与NVHEL直接物理接触；(v)在足以引起工艺流中的可冷凝蒸气的至少一部分在NVHEL中凝华的温度和压力下冷却工艺流，以形成冷却的轻质气体和包括凝华固体和NVHEL的浆液；(vi)通过轻质气体出口从容器中移出分离的轻质气体流；以及(vii)将凝华的固体的至少一部分与NVHEL分离。

在一个实施方式中，方法包括使用包括二氧化碳的工艺流，并且在适于凝华二氧化碳的温度和压力下操作分离单元。