通过同流换热低温法将可冷凝蒸气与轻质气体或液体分离的系统和方法技术方案

本发明专利技术的方法和系统将可冷凝蒸气比如二氧化碳与混合工艺流中的轻质气体或液体分离。在低温法中使用一个或更多个外部冷却环路(ECL)进行分离，其首先冷却包含可冷凝蒸气和轻质气体或液体的混合工艺流，使得可冷凝蒸气凝华并且形成固体。接下来，将固体与轻质气体或液体分离，形成固体流和轻质气体或液体流。然后，通过温热分离的固体流和轻质气体或液体流冷却ECL的制冷剂，有效回收在冷却和凝华可冷凝蒸气中使用的能量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过同流换热低温法将可冷凝蒸气与轻质气体或液体分离的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2011年5月26日提交的，题为“CryogenicCarbonCaptureProcess(低温碳捕获法)”的美国临时专利申请系列号61/519,667的权益，其在此通过引用并入本文。
本专利技术涉及通过用一个或更多个外部冷却环路冷却可冷凝蒸气使蒸气凝华而将可冷凝蒸气(例如，二氧化碳)与轻质气体或液体(例如，氮气体)分离的低温系统和方法。
技术介绍
将二氧化碳与其他轻质气体或液体比如氮气或甲烷分离对于实现二氧化碳截存(sequestration)是重要的。来自常规电站的工艺气体通常包括从约4%(体积)至约16%(体积)的二氧化碳(CO2)，并且来自井的未精制的天然气可包括大量的CO2。该工艺技术着眼于包含可冷凝的凝华蒸气的这些和类似的工艺。通常认为该CO2代表增加温室效应和全球变暖的重要因素。所以，明显地需要从工艺气体捕获CO2的有效方法，以生产浓缩的CO2流，其可容易地运输至安全储存位置或至进一步应用。另外地，天然气中的CO2代表运输昂贵并且减弱(dilute)天然气效率的惰性组分。这些方法和工艺着眼于包含凝华蒸气的这些和类似的流。已经通过数个技术从气体流中捕获CO2，其中最常见的包括：增氧燃烧(oxyfiring)，其中在燃烧之前氧气与空气分离，产生基本上纯的CO2流出物；吸收，其中CO2选择性吸收进入液体溶剂；膜，其中通过半渗透性塑料或陶瓷膜分离CO2；吸附，其中通过吸附在具体设计的固体颗粒表面上分离CO2；化学环路，其中通过回收的中间产物通常是金属氧化物物理分离碳氧化和氧消耗；和低温/高压工艺，其中通过冷凝CO2实现分离。过去，从工艺气体捕获CO2的最经济的技术是用胺溶液洗涤工艺气体以吸收CO2。该技术已经商业上用于小规模工艺和用于特种工艺。例如，Flour开发了一种称为EconamineFG+的工艺用于这样做。然而，其在应用规模发电设备中尚未得以证实。在所有情况下，突出的工艺效率降低以及工艺成本增加较高(根据电站的DOE评估，分别是25-30%和80%)。另一类型的工艺是氧燃烧系统，其使用通常在空气分离单元(ASU)中产生的氧气代替空气，用于主要燃料的燃烧。氧通常与惰性气体比如再循环的工艺气体混合，以将燃烧温度保持在合适的水平。氧燃烧工艺产生具有CO2、水和O2作为其主要组分的工艺气体；CO2浓度通常大于约按体积计70%。工艺气体的处理通常需要从工艺气体去除空气污染物和非冷凝的气体(比如氮气)，然后输送CO2至储存。低温法是新兴的通过冷凝CO2将CO2与其他气体分离的新方法。常规的制冷工艺不是能量有效的，因为加工的气体被冷却至非常低的温度，这在冷却和压缩中消耗非常大量的能量。加压工艺流中的CO2和通过热集成用流出冷产物冷却引入气体减少冷却和冷凝CO2需要的能量，但是压缩工艺气体中的CO2和杂质导致酸性流，其对高压系统中的器材提出挑战。另外，膨胀包含凝华组分的工艺气体流可损坏涡轮机械。例如，膨胀压缩的CO2导致在膨胀设备或涡轮机中固体形成，其可损坏机器或使原动机失调。压缩酸气也冷凝通常包括酸性化合物和微粒的湿气。所有这些问题可在基于压缩的工艺中克服，但是仍对避免工艺气体压缩而仍经低温处理实现有效的CO2去除的工艺感兴趣。
技术实现思路
本公开描述了在连续分离工艺中将可冷凝蒸气(例如，二氧化碳)与其他气体(例如，氮气)分离的系统和方法。使用一个或更多个外部冷却环路(ECL)在低温法中进行分离，其首先冷却包含可冷凝蒸气和轻质气体或液体的混合工艺流，使得可冷凝蒸气凝华并且形成固体。接下来，将固体与轻质气体或液体分离，形成固体流和轻质气体或液体流。然后，通过温热分离的固体流和轻质气体或液体流，ECL的制冷剂冷却，有效回收冷却和凝华可冷凝蒸气中使用的能量。最后，随着液体流温热至近周围温度，处理冷凝的蒸气并且准备运输和最终截存。尽管混合工艺流可在该方法中压缩，但是不必这样做，其提供制冷剂选择的灵活性并且消除与高压系统中膨胀设备内的压缩的酸性工艺流和固体形成相关的问题。本专利技术根本上不同于常规的低温法，其中代替常规方法中仅仅冷却工艺流，本专利技术的方法首先冷却工艺流，然后再温热其至其初始温度，冷却制冷剂和同流换热(复热，recuperate)冷却能。此外，在一些实施方式中，本专利技术的方法将制冷剂的冷却和温热分阶段，从而ECL的制冷剂和工艺流组分的温度线图匹配，因为较冷流和较热流之间的温差相对小并且恒定，和因为较冷流的相变在小于较热流的相变下的程度内。系统的这些特性使得热交换的效率最大化，这导致系统效率大大超过常规的方法。结果，本专利技术的实施具有超过常规分离方法的所有或部分下列优势。系统(1)与目前考虑的空气分离单元型系统(氧燃料和气化)和溶剂型系统(常规吸收)相比，通过回收对输入和产品流操作的换热器中的加热/冷却能并且通过避免经历温变但未从过程中排出的循环过程要素——经熵产生导致能量消耗，使能量消耗最小化；(2)通过以冷凝形式提供CO2并且所以大大减少加压能量要求，使与加压CO2相关的能量消耗最小化；(3)连续操作而对工艺气体或工艺流体没有明显压缩、膨胀或其他压力改变动作，只是提供相对小的压力增加以保持流动；(4)使得初步冷却负荷在可分开操作和维修的专用、密封制冷线路中进行；(5)作为冷凝相提供冷凝物的恒定去除，避免与气体压缩相关的处理和加压复杂性；(6)通过如下使费用最小化：通过提供用于去除轻质气体或液体的最小侵入性、螺栓紧固(bolt-on)选择，通过提高相对于空气分离单元型系统必须达到的最低温度，和通过相比空气分离单元型系统在更温热条件下以较广泛材料可用性操作；(7)通过形成公称纯(nominallypure)的固体产品相，使产品纯度最大化；(8)通过下述使水需要最小化：通过以可用形式回收工艺气体中大部分的水，通过减少能量消耗和废热产生，和通过产生可用于冷却其他设备工艺的冷轻质气体或液体流。本专利技术的一个方面涉及将可冷凝蒸气(例如，CO2)与轻质气体或液体(例如，NO2)分离的方法。本专利技术的实施方式包括下列步骤的全部或者一部分：(i)提供包含至少一种可冷凝蒸气和至少一种轻质气体或液体的混合工艺流；(ii)使用一种或更多种制冷剂将混合工艺流冷却至T1的温度，使可冷凝蒸气凝华；(iii)将凝华的可冷凝蒸气与轻质气体或液体分离，以形成固体流和轻质气体或液体流；(iv)加压固体流；和(v)使用至少部分固体流冷却一种或更多种制冷剂，从而使固体流熔化，以形成液体流。本专利技术的实施方式进一步通过匹配可冷凝蒸气和制冷剂之间的温度线图，从而使两者之间的温差保持相对小，优选小于20℃，更优选小于5℃，和仍更优选小于1℃，并且一个的相变接近另一个的相变，来提高能量效率。本专利技术的另一方面涉及将可冷凝蒸气与轻质气体或液体分离的系统和装置。系统的一种实施方式包括：(i)至少一个外部冷却环路(ECL)，其包括(a)膨胀设备，(b)凝华气体制冷剂换热器(D-GHE)，其使得可冷凝蒸气凝华，产生固体流和轻质气体或液体流，(c)压缩机，(d)在室温或高于室温或热可转移至局部环境(比如至冷却水)的温度下的散热换热器(heat-rejectionheate本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过凝华可冷凝蒸气将所述可冷凝蒸气与轻质气体或液体分离的方法，其包括：(i)使用一种或更多种制冷剂，将包括至少一种可冷凝蒸气和至少一种轻质气体或液体的混合工艺流冷却至T1的温度，使所述可冷凝蒸气凝华；(ii)将所凝华的可冷凝蒸气与所述轻质气体或液体分离，以形成固体流和轻质气体或液体流；(iii)使所述固体流加压；和(iv)使用至少部分的所述固体流使所述一种或更多种制冷剂冷却或从其传热，包括使所述固体流熔化，以形成适当温度的液体流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.26 US 61/519,6671.通过凝华可冷凝蒸气将所述可冷凝蒸气与轻质气体或液体分离的方法，其包括：(i)使用冷却环路的一种或更多种制冷剂，将包括所述可冷凝蒸气和至少一种轻质气体或液体的混合工艺流冷却至T1的温度，使所述可冷凝蒸气凝华，所述可冷凝蒸气在所述混合工艺流和所述冷却环路的一种或更多种制冷剂之间的热交换期间凝华；(ii)将所凝华的可冷凝蒸气与所述轻质气体或液体分离，以形成固体流和轻质气体或液体流；(iii)使所述固体流加压；和(iv)使用至少部分的所述固体流使所述冷却环路的一种或更多种制冷剂冷却或从其传热，从而使至少部分的所述固体流熔化，以形成适当温度的液体流。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(iv)进一步包括使至少部分的所述一种或更多种制冷剂在高于所述固体流熔化温度的0-20℃的范围中的温度下冷凝。3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(iv)进一步包括使所述一种或更多种制冷剂中的至少一种在高于所述固体流熔化温度的0-5℃的范围中的温度下冷凝。4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(i)进一步包括使至少部分的所述一种或更多种制冷剂在低于所述可冷凝蒸气的凝华温度的0-20℃的范围中的温度下沸腾。5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在使用所述一种或更多种制冷剂冷却所述混合工艺流之前使其膨胀并且其后压缩膨胀的一种或更多种制冷剂。6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在将所述混合工艺流冷却至T1之前，使用外冷却环路中的至少一种外-环路制冷剂，将所述混合工艺流最初冷却至T2的温度，其中T2>T1；在所述冷却环路中，进一步将所述混合工艺流冷却至T1以使所述可冷凝蒸气凝华并形成所述固体流；和使用至少部分的所述液体流和/或部分的所述固体流，使所述至少一种外-环路制冷剂冷却。7.根据权利要求6所述的方法，其中进一步将所述混合工艺流冷却至T1进一步包括在低于所述可冷凝蒸气的凝华温度的0-20℃的范围中的温度下蒸发所述一种或更多种制冷剂。8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括通过在高于所述固体流熔化温度的0-20℃的范围中的温度下使所述一种或更多种制冷剂冷凝，冷却所述一种或更多种制冷剂。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种可冷凝蒸气包括CO2和所述至少一种轻质气体或液体包括N2。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述混合工艺流进一步包括污染物，其包括水银、砷、镉、铬、镍、烃、SO2、NO2、HF或HCl，的一种或多种，并且其中所述方法进一步包括在冷却期间的各个阶段和温度下冷凝和提取所述污染物。11.通过凝华可冷凝蒸气将所述可冷凝蒸气与混合工艺流中的轻质气体或液体分离的系统，其包括：(i)至少一个外部冷却环路(ECL)，其包括(a)膨胀设备，(b)凝华气体制冷剂换热器(D-GHE)，其使得所述可冷凝蒸气凝华，产生固体流和轻质气体或液体流，(c)...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·L·巴克斯特，
申请(专利权)人：可持续能源解决方案公司，
类型：发明
国别省市：美国;US