[发明专利]二氧化碳的纯化

说明书

技术领域

本发明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，本发明在于以下方式：为了减少总能量消耗可提供用于此方法的制冷负荷(refrigeration duty)。本发明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。

背景技术

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-combustion processes for CO2 capture from advanced supercritical PF and NGCC power plants)(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。