从气体中分离可凝结蒸汽的方法和系统技术方案

在工艺流中从轻质气体中分离可凝结蒸汽例如二氧化碳。本发明专利技术的系统和方法使用由床内热交换设备来冷却的颗粒床从而使可凝结蒸汽从工艺流中凝华。可凝结蒸汽在床颗粒上冷凝而来自工艺流的未冷凝的轻质气体形成分离的轻质气体流。可以在回热式热交换设备中使用分离的轻质气体流来冷却工艺流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过在颗粒床上使蒸汽凝华从气体中分离凝华蒸汽(例如，二氧化碳)的方法和系统。
技术介绍
从其它轻质气体例如氮气中分离二氧化碳对实现二氧化碳的分离很重要。常规的动力站或发电站的烟道气一般包含约4% (体积百分比)到约14%的二氧化碳(CO2)。CO2 可以是气候变化的一个重要标示。因此，很明显需要从烟道气中俘获CO2的高效率的方法， 以便产生可以被快速运输到安全的存储地点或更进一步的应用的ω2的浓缩气流。已经或计划通过五种主要技术来从气流中俘获CO2:吸收，其中，CO2被选择地吸收进液态溶剂中； 吸附或化学循环，其中，通过在特别设计的固体颗粒的表面上吸附或反应来分离CO2，在之后的工艺或处理中可能会或者也可能不会引起所述特别设计的固体颗粒向基本上纯的气流中释放CO2 ；隔膜，其中，通过半渗透性的塑料或陶瓷隔膜来分离CO2 ；全氧燃烧，其中，在燃烧之前从空气中分离氧气，以产生基本上纯的CO2流；以及，低温/高压处理，其中，通过冷凝CO2来实现分离。目前从烟道气中俘获(X)2最被接受的并因此被证实是经济的技术是用胺溶液洗涤烟道气从而将(X)2吸收至溶液中。对于俘获(X)2的系统，该技术从小规模的烟道气和从专业工艺上已经达到了操作的商业状态。然而，它的应用显著降低了发电厂或动力厂发电厂的整体效率。已经受到显著关注的另一种工艺是氧气燃烧系统，其使用氧气来代替空气进行基本燃料的燃烧，所述氧气通常在空气分离设备(ASU)但有时也在膜分离设备中产生。所述氧气经常混合有惰性气体，例如再循环的烟道气，以在适合的水平上保持燃烧温度和热吸收。氧气燃烧工艺产生具有CO2、水以及A作为它的主要组分的烟道气；(X)2浓度一般大于约70% (体积百分比)。在CO2被送去存储之前，通常需要对烟道气进行处理以从烟道气中移除空气污染物和非可冷凝或凝结的气体(例如氮气)。
技术实现思路
本公开描述了在持续的分离工艺中用于从其他气体(例如，氮气)中分离凝华蒸汽(例如，二氧化碳)的方法和系统。分离工艺在具有床内热交换设备的流化或固定床中执行。床内热交换设备对床和/或流过床的工艺流进行冷却。随着工艺流的冷却，使可凝结蒸汽凝结或冷凝，从而在床颗粒的表面和/或外部热交换设备表面形成冷凝相。凝华蒸汽的冷凝作用也导致在工艺流中蒸汽从其它气体分离，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、硫的氧化物、氮的氧化物以及水，可以被融化形成液体并且用作产品或使用任意适合的隔离技术来隔离。例如，可以将分离的二氧化碳注入到含水土层或其它适合的地下水库。在本专利技术中颗粒床的使用为蒸汽凝华作用提供了充足的表面区域。颗粒床通过使4发生于热交换设备表面的凝华作用的量作为凝华蒸汽占的总百分比最小化来提高系统的效率。在一个实施例中，可以将床流化。在该实施例中，流化的颗粒可以撞击热交换设备的导管的外表面来减少冷凝的固体的积聚，从而进一步提高热交换设备的效率并且允许系统的持续的操作。在一个实施例中，系统包括具有工艺流入口和轻质气体出口的分离容器。工艺流入口与包括可凝结蒸汽的工艺流成流体连通。将颗粒床放置于分离容器内。颗粒床与工艺流成流体连通并且工艺流有足够的压力来流过颗粒床。床内热交换设备包括至少部分浸没于颗粒床中的一个或更多个热交换设备表面。在床内的温度和压力足以使至少一部分可凝结蒸汽从工艺流凝华至颗粒床上和/或至床内热交换设备的导管的外部上。冷凝的蒸汽形成冷凝的固体，从而在工艺流中从轻质气体中分离，轻质气体作为分离的轻质气体流从容器排出。颗粒床可以包括任意类型的颗粒。在一个实施例中，颗粒床包括凝华的固体的颗粒。例如，其中二氧化碳从工艺流中分离，颗粒床可以包括固体二氧化碳的颗粒。颗粒也可以包括其它非可冷凝物质例如无机物(二氧化硅、氧化物、碳酸盐等)来提高床中的颗粒大小的均勻性。但是，不要求颗粒是各向异性的。在凝华期间，在床中的颗粒和/或导管中蒸汽的冷凝导致床中大量积聚。可以将固体从容器中移除来保持希望的床体积和/或颗粒大小。在一个实施例中，将颗粒从较大颗粒易于堆积的床底部移除。通过从床移除颗粒来移除冷凝的固体可以用于促进系统的持续操作。这里描述的系统和方法可以在适合于在工艺流中使可凝结蒸汽凝华的任意温度和压力下执行。在一个实施例中，容器中的压力可以相对较低，例如，压力在约环境压力至约15psi或约环境压力至约lOpsi，或环境压力至约5psi的范围内。在可替换的实施例中， 压力可以相对较高，例如在约5psi至约IOOOpsi或更高，或约20psi至约500psi的范围内。 在使二氧化碳凝华处，在颗粒床内选择使气体的二氧化碳直接转换为固体二氧化碳的温度和压力。用于使二氧化碳凝华的温度和压力是众所周知的。例如，在环境压力下，二氧化碳蒸汽在低于约_78°C的温度下凝华。在一个实施例中，可以在高压下操作分离装置(即，分离容器、颗粒床以及床内热交换设备)这样排出的轻质气体流可以被进一步冷却作为制冷气体在床内热交换设备中供使用。在一个实施例中，在分离容器中，使具有大于约5psi、大于约20psi或大于约50psi 的压力的分离轻质气体流膨胀来将分离的轻质气体流冷却至颗粒床的温度以下的温度。对分离的轻质气体流的额外的冷却可以使分离的轻质气体流中的可凝结蒸汽的剩余部分凝华。固体分离装置可以用于移除在分离的轻质气体流的膨胀中形成的固体。然后可以通过穿过颗粒床的导管内部来传递冷却的分离的轻质气体流从而从颗粒床吸取热量。在可替换实施例中，可以使用不同于分离的轻质气体流的方法来对床内热交换设备进行冷却。在一个实施例中，床内热交换设备可以包括制冷单元。在该实施例中，可以使用用于对颗粒床进行冷却的可以达到希望的温度和散热率的任意制冷系统。这里描述的系统和方法也可以包括在分离装置上游执行的冷却步骤。在将工艺流导入容器之前，一般使用一个或更多个热交换设备来冷却工艺流。在初始的冷却工艺中，可以干燥工艺流来移除水。在一个实施例中，使用一个或更多个回热式热交换设备来对工艺流进行冷却，回热式热交换设备使用分离的轻质气体流来冷却工艺流。可以在直接位于分离容器下游的热量回收交换设备中使用分离的轻质气体流，或可替换地，如上述可以在位于膨胀装置下游的回热式热交换设备和床内热交换设备中使用分离的轻质气体流。在一个实施例中，用于从气体中分离可凝结蒸汽来形成固体的方法包括下面步骤的全部或一部分(i)提供包括可凝结蒸汽的工艺流；(ii)使用一个或更多个上流式热交换设备来对工艺流进行冷却；(iii)提供分离装置，其包括具有工艺流入口和轻质气体出口的容器；颗粒床；以及具有至少部分浸没于颗粒床的一个或更多个导管的床内热交换设备；(iv)将工艺流导入位于一个或更多个上流式热交换设备下游的分离装置并使工艺流流过颗粒床；(ν)在一定的温度和压力下使用床内热交换设备对颗粒床进行冷却，该一定的温度和压力足以使工艺流中的至少一部分可凝结蒸汽从工艺流凝华至颗粒床上和/或床内热交换设备的导管外部上，以形成冷凝的固体和分离的轻质气体流；以及(Vi)通过轻质气体出口从容器中移除分离的轻质气体流。在一个实施例中，所述方法包括使用包括二氧化碳的工艺流和在适合于使二氧化碳凝华的温度和压力下操作分离装置。所述方法还可以包括使颗粒床本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.03.16 US 61/210,298;2009.05.27 US 61/181,6551.一种用于从气体中分离可凝结蒸汽来形成固体的系统，包括分离容器，其具有工艺流入口和轻质气体出口，其中，所述工艺流入口与包括可凝结蒸汽的工艺流成流体连通；颗粒床，其在所述分离容器内，所述颗粒床与所述工艺流流体连通，其中，所述工艺流具有足够的压力流过所述颗粒床的至少一部分；床内热交换设备，其包括至少部分浸没于所述颗粒床中的一个或更多个导管；以及其中，在所述床内的温度和压力足以使至少一部分所述可凝结蒸汽从所述工艺流凝华至所述颗粒床上和/或所述床内热交换设备的所述导管的外部上以便形成冷凝的固体和分离的轻质气体流，所述轻质气体流通过所述轻质气体出口从所述分离容器排出。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述颗粒床被流化。3.如权利要求2所述的系统，其中，所述床中的颗粒的碰撞将一部分积聚的冷凝的固体从所述导管的外部移除。4.如权利要求1所述的系统，其中，所述可凝结蒸汽包括二氧化碳。5.如权利要求4所述的系统，其中，所述床内的所述温度和压力适合于使所述二氧化碳蒸汽的至少一部分凝华。6.如权利要求1所述的系统，其中，所述压力在约大气压力至约15psi的范围内。7.如权利要求1所述的系统，其中，所述压力在约大气压力至约5psi的范围内。8.如权利要求1所述的系统，其中，所述床内的所述温度约低于78°C。9.如权利要求1所述的系统，其中，所述颗粒床具有的平均颗粒大小在约0.05mm至约 20mm的范围内。10.如权利要求1所述的系统，其中，所述颗粒床具有的平均颗粒大小在约0.Imm至约 IOmm的范围内。11.如权利要求1所述的系统，其中，所述颗粒床包括颗粒，所述颗粒包括二氧化碳。12.如权利要求1所述的系统，还包括膨胀设备，其位于所述分离容器的下游，所述膨胀设备被配置来通过降低压力从而对所述轻质气体流进行冷却，其中，冷却的所述轻质气体流流经所述床...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·L·巴克斯特，
申请(专利权)人：布莱阿姆青年大学，
类型：发明
国别省市：