[发明专利]用于从生产设备排出物中移除CO2的装置和方法

说明书

此正式申请要求2011年2月11日提交的美国临时申请No.61/441,686的权益。

背景技术

发电设备和其它燃烧化石燃料的机器的废气排气管（exhaust stack）包含高水平的水蒸气和CO₂。在减轻全球变暖问题的努力中关于从这些料流中移除并捕捉CO₂存在很多讨论。然而吸引CO₂的吸附剂和吸收剂材料也对H₂O具有强的或优先的吸引，因此它们在CO₂ 捕捉中的用途远未被实际考虑。

由此讫今开发的现有技术系统使用胺（例如，单乙醇胺（MEA））或氨基酸盐来在吸收单元中吸收CO₂然后将胺转移到汽提塔单元，在其中使用热或热和减压来解吸附CO₂ 至单独的冷凝料流。该冷凝的CO₂料流随后可供使用或固定(sequestration)。

阻止更多地采用该技术来固定的主要因素是通过解吸附过程招致的能源损耗。NETL报告“Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants Volume 1:  Bituminus Coal and Natural Gas to Electricity” Vol. 1, DOE/NETL-2007/1281（2010年11月修订），详述了对于各种类型的具有和不具有碳捕捉的发电设备的投资成本和操作成本，并总结在“Fossil Energy Power Plant Desk Reference (DOE/NETL-2007/1282)”中。该研究的结论显示通过添加碳捕捉和固定（CCS）（装置），发电设备的效率降低了6-12个百分点。

性能上的损失主要是因为从胺溶液中汽提CO₂的高热需求。例如，在上述详细报告中，天然气联合循环(Natural Gas Combined Cycle)（NGCC）设备的案例13和14不含CCS地操作并且产生555MW的功率，净设备效率50.2%（HHV）（参见表5-7）。具有CCS时，输出降低至473MW（功率降低14%）和净效率降低至42.8%（HHV）（参见Exhibit5-18）。输出的一部分损失是由于二级胺系统的物理操作，和压缩CO₂的增加的需求（总体需要大约27MW的功率来实现）。然而，更大的损失是由于当为了胺的汽提（或再生）而转移热时蒸汽涡轮输出降低。在以上实例中，188MW的热能由驱动低压涡轮的生产用途转移到汽提胺溶液，导致54MW的电输出损失。

在该实例中汽提器所需的热能总计3,716 KJ/KG汽提的CO₂。这比蒸发CO₂的比热容高得多，所述CO₂蒸发的比热容仅为571KJ/KG。理论上CO₂应当能够以与通过干燥剂吸附和解吸附水蒸气相似的方式通过吸附剂吸附和解吸附。在干燥剂再生的情况下，能量需求已经被证明仅需要125%的冷凝热并且必然在200%以下。由此推知，如果不存在水蒸气来减损吸附/解吸附过程，对于使用适当的吸附剂来吸附/解吸附CO₂也应如此。因此，考虑到H₂O的例子，可以断定CO₂应当能够以接近571KJ/KG冷凝热的125%-200%，或714和1141KG之间范围内的热输入水平被吸附。

对于使用CO₂源来提高原油采收率（EOR）存在日益增长的市场。目前，通常接受的是，市场愿意花费$20一吨来经济地使用CO₂用于这样的目的。然而，目前现有技术的方法的高能源损耗不能够支持这样的低价，而不要额外的补贴。使用现有技术的胺工艺，当前的讨论选择的可实现的成本不低于$38/吨CO₂。本文所公开的解吸附的热利用的降低可以在帮助降低通过固定生产CO₂的成本至更接近CO₂作为有价的商品的市场价格中起关键作用。

发明概述